New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment  leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules. Stimuli-responsive polymers and their use in biomedical applications have been widely investigated in recent years. These polymers change their physical properties such as water-solubility, when subjected to certain stimuli, for example change in temperature or pH. The main purpose of this work is to study new diblock copolymers consisting of two random copolymers, i.e., diblock random copolymers. Polymers with well-defined structures and tunable properties have been made using reversible addition−fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization, one of the controlled radical polymerization techniques. The blocks are made of acrylamide- and/or methacrylate-based monomers, which commonly show thermo-responsiveness and hence, double stimuli-responsive behavior is shown. First, a diblock random copolymer in the form of AnBm-b-ApBq was synthesized with N-n-propylacrylamide (nPA) and N-ethylacrylamide (EA) as A and B using RAFT polymerization. Kinetic study of the copolymerization process confirmed the controlled character of the copolymerization. The diblock random copolymers with the compositions of poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) and low polydispersity were obtained. With UV-visible spectroscopy and dynamic light scattering (DLS) we investigate their thermoresponsive characteristics in aqueous solutions. Individual blocks showed tunable cloud points, and the diblock copolymer exhibited a well-separated two-step phase transition upon heating.  Macromolecules in nature can often respond to a combination of external stimuli, most commonly temperature and pH, rather than a single stimulus. Therefore, a second type of diblock random copolymer in the form of AnBm-b-ApCq was synthesized by combining a pH- and temperature-responsive block with another, only temperature-responsive block, producing responsiveness to multiple stimuli. This polymer with the composition of poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) where DEAEMA stands for 2-diethylaminoethyl methacrylate with well-defined structure and tunable properties has also been made using sequential RAFT polymerization. The resulting diblock random copolymer changes its physico-chemical properties, such as water-solubility, in a quite controlled manner when subjected to the changes in temperature or pH.  What happens when blocks of different lengths change their relative hydrophilicity? It is known that the relative length of the blocks in amphiphilic diblock copolymers affects the aggregation mechanism. We compared three diblock copolymers with different block and chain lengths in aqueous solution when they change their relative hydrophilicity due to the change in the external stimuli. The variation of the length and chemical composition of the blocks allows the tuning of the responsiveness of the block copolymers toward both pH and temperature and determines the formation of either micelles or vesicles during the aggregation.

Keyphrases: copolymères à blocaléatoires, thermo- et pH-sensible, polymérisation RAFT, copolymères à réponse variable, micelles et vésicules, Block random copolymers, thermo- and pH-responsive polymers, RAFT polymerization, dual behavior copolymers, micelles, vesicles