Projet ANR-13-JS08-0011 – DECIMAL : Conception de matériaux polymères innovants à base de dopamine
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur David FOURNIER (Université Lille 1, Unité des Matériaux Et Transformations)
Partenaires : Unité Matériaux et Transformations
Montant : 195000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Elaboration de matériaux polymères multi-stimulables à partir de la dopamineCe projet s'appuie sur la polyvalence d'une molécule très présente dans la Nature, la dopamine. Cette molécule possède différents sites réactionnels et cette spécificité s'avère tout à fait intéressante afin d'élaborer une large gamme de matériaux polymères originaux. Ainsi, des nano-objets multistimulables sont élaborés en milieu aqueux et pourront servir à encapsuler des principes actifs capable d'être relargué sur simple demande grâce à des stimuli dits «propres«
Conception de matériaux polymères innovants à base de dopamineDans le domaine des polymères, les scientifiques repoussent continuellement les limites de leur créativité afin d'élaborer des matériaux sophistiqués aux propriétés remarquables et innovantes. Cette tendance a permis le développement de nouveaux matériaux dits «intelligents« avec des application des divers domaines tels que la nanomédecine et les nanosciences.Dans ce programme de recherche, l'objectif principal est de développer une stratégie tout à fait innovante pour élaborer des architectures macromoléculaires à partir d'une brique moléculaire qui est un dérivé «bioinspiré« de catéchol. Ce composé présente la particularité de posséder plusieurs sites réactionnels permettant de réaliser des réactions orthogonales et de manière quantitative. Ainsi, à partir de cette unique brique, un large panel de structures macromoléculaires pourrait être obtenu (copolymères à blocs, Y-shape,...) aux propriétés originales.En particulier, notre stratégie originale doit nous donner accès à des architectures polymères  i) simples mais intéressantes (homopolymères, copolymères à blocs) avec des propriétés d'auto-assemblage en milieu aqueux (nanoobjets) et ii) sophistiquées (polymères cycliques).Ainsi, la première partie du programme ANR JCJC DECIMAL consiste à revisiter la chimie du catéchol dans le domaine des polymères en la combinant élégamment avec la chimie des acides boroniques afin de réaliser différentes architectures macromoléculaires et principalement des copolymères à blocs possédant une jonction covalente mais réversible. Ensuite, notre attention se portera sur le caractère multistimulable de ces copolymères en solution aqueuse sous l'impulsion de différents stimuli dits propres (électrochimie, ajout de sucre, lumière UV).
Synthèse des agents de transfert et des polymères fonctionnalisés en extrémité de chaineLa stratégie employée consistait tout d'abord à élaborer 3 agents de transfert à l'échelle du gramme afin de les utiliser lors de polymérisation de type RAFT. Par la suite, de nombreux polymères (hydrophiles, hydrophobes) ont été synthétisés de manière contrôlée avec des indices de polymolécularité faibles.La réaction entre un polymère porteur d'une fonction catéchol en extrémité de chaine et un autre polymère porteur d'un fonction acide boronique permet la création de copolymère à blocs amphiphiles qui ont été caractérisés par diffusion de la lumière, RMN 1D et 2D, cryo-TEM.
Résumé de la soumission : Les chimistes ont toujours repoussé les limites de la créativité pour élaborer des architectures macromoléculaires toujours plus sophistiquées possédant des nouvelles propriétés. Cela a mené à un développement extraordinaire de matériaux originaux appelés « matériaux intelligents », avec des applications dans des domaines tels que les nanosciences et la nanomédecine. Parmi les stratégies les plus répandues, ces différentes architectures sont principalement élaborées grâce à une succession d’étapes de synthèse et de purification. Par ailleurs, il est souvent observé qu’une stratégie mène à un seul type d’architecture macromoléculaire. Lors de ce programme de recherche, nous allons développer une stratégie tout à fait innovante pour créer une plateforme de polymères avec des architectures originales, à partir, uniquement, de dérivés du catéchol. Cette molécule bioinspirée présente la particularité de posséder différents sites réactionnels, ce qui permettra d’envisager des réactions orthogonales de fonctionnalisation. La conséquence directe de notre stratégie sera la création d’une multitude d’architectures macromoléculaires (copolymères à blocs, cycliques, "Y-shape", etc.) aux propriétés tout à fait originales. Parmi les propriétés intrinsèques des dérivés naturels du catéchol, l’une concerne la faculté d’être facilement incorporée dans des polymères parfaitement définis (à l’aide du procédé de polymérisation RAFT) à leur extrémité (en élaborant un agent de transfert fonctionnalisé par le dérivé du catéchol).De plus, le groupe catéchol possède l’aptitude de réagir, de manière orthogonale. Cette stratégie novatrice devrait nous ouvrir l’accès à des architectures macromoléculaires courantes mais très intéressantes (copolymères à blocs) mais également à des architectures assez sophistiquées (polymères cycliques). Ces réactions de couplage orthogonales seront conduites de manière simple, efficace et "propre", les couplages entrainant la création de liaisons covalentes entre les polymères. D’une manière intéressante, les copolymères à blocs élaborés possèderont des caractéristiques dynamiques, en raison de la réversibilité de certaines liaisons covalentes ainsi créées. Dans le cadre de ce travail, de nouveaux matériaux dynamiques et stimulables seront élaborés tels que des micelles capable de répondre à différents (bio)stimuli réputés propres (électrochimie, sucre, lumière UV).De plus, nous exploiterons la remarquable propriété du motif catéchol à pouvoir très facilement et très fortement adhérer à une grande variété de surfaces (silicone, titane, or, verre et beaucoup d’autres). Nous mettrons à profit cette ancre catéchol pour, à titre d’exemple, immobiliser les polymères cycliques, ce qui apportera, sans nul doute, au matériau des propriétés non décrites jusqu’alors. Une partie du travail consistera à comparer le greffage des polymères cycliques et des polymères précurseurs linéaires.Dans ce programme de recherche fondamentale, nous démontrerons que le motif catéchol est sans doute l’une des briques de base les plus prometteuses pour concevoir une plateforme originale d’architectures macromoléculaires. Le principal objectif de ce projet vise à faire émerger une nouvelle méthodologie de manière à obtenir des matériaux avec des  propriétés exceptionnelles.Pour accomplir ce programme ANR JCJC, une équipe jeune mais expérimentée a été assemblée possédant de nombreuses compétences dans tous les domaines couverts par ce projet (synthèse organique, polymérisations radicalaires contrôlées, électrochimie, chimie de surface).
Résultats : Au cours des 18 premiers mois, la task 1, concernant la synthèse de 3 nouveaux agents de transfert fonctionnalisés (acide boronique, catéchol) et leur utilisation lors du procédé RAFT afin d'obtenir des polymères fonctionnalisés en extrémité de chaine, a été entièrement réalisée. Initialement, seuls le PNIPAM et le PSty étaient concernés par le projet mais nous avons décidé d'élargir l'utilisation des agents de transfert de manière à synthétiser une large gamme de polymères avec des propriétés différentes.
La seconde partie du projet (Task 2) consiste à élaborer des copolymères à blocs en faisant réagir les groupements chimiques complémentaires présents à une extrémité des polymères. Après avoir recherché les conditions optimales de couplage, les copolymères à blocs ont été caractérisés. Ensuite, les copolymères amphiphiles obtenus ont été étudiés de manière à obtenir un auto-assemblage en milieu aqueux. Ainsi, des objets sphériques (micelles) ont été obtenus et caractérisés par diffusion de la lumière (diamètre oscillant entre 100 et 300 nm) et par cryo-TEM. En parallèle, des molécules très hydrophobes ont été encapsulées à l'intérieur des micelles.
Perspectives : Dans les perspectives immédiates, il s'agit de démontrer que le lien covalent entre les 2 blocs polymères (boronate d'ester) peut être rompu par différents stimuli dits «propres« tels que l'électrochimie, l'ajout de sucre ou la lumière UV.
Publications et brevets : Actuellement, aucun article n'a été publié mais 2 articles sont en cours de rédaction et devraient être rapidement soumis. En parallèle, 2 communications orales et 1 communication par affiche ont été réalisées.