Synthèse de nanoparticules à propriétés de surface contrôlées par polymérisation en miniémulsion pour la vectorisation de molécules actives, Synthesis of nanoparticules with controlled surface properties via miniemulsion polymerization for delivery of active molecules

De
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Sous la direction de Edith Dellacherie, Emmanuelle Marie
Thèse soutenue le 13 décembre 2007: INPL
L'objectif de ce travail était la synthèse en une étape de nanoparticules à cœur de poly(n-butyl cyanoacrylate) et couronne hydrophile, par polymérisation en miniémulsion. Deux familles de polymères amphiphiles ont été utilisées pour stabiliser la polymérisation. La première est constituée de trois dérivés amphiphiles du dextrane synthétisés au laboratoire: DexP11, DexP16 et DexP22. La seconde est composée de dérivés commerciaux du POE: le Brij®78, le Brij®700, et le Tween®80. Après avoir vérifié leur stabilité dans les conditions de polymérisation, leurs propriétés tensioactives ont été caractérisées en tensiométrie dynamique. Bien que le n-butyl cyanoacrylate soit un monomère extrêmement réactif, des nanoparticules de poly(n-butyl cyanoacrylate) ont pu être synthétisées avec succès par polymérisation anionique et/ou radicalaire en miniémulsion. La nature et la concentration du polymère amphiphile dans la phase aqueuse lors de la polymérisation en miniémulsion contrôlent la taille des particules, leur taux de recouvrement et l'épaisseur de la couche hydrophile à leur surface. La masse molaire du polymère constituant le cœur de la nanoparticule est quant à elle influencée par le pH de la phase continue et le mode de polymérisation (anionique ou radicalaire). Enfin, l’étude de l'encapsulation et de la libération d'une molécule modèle, le pyrène, a été abordée
-Poly(n-butyl cyanoacrylate)
-Nanoparticule
-Miniémulsion
-Couronne hydrophile
-Cinétique
-Libération
-Drug delivery
The aim of this study was the one-step synthesis via miniemulsion polymerization, of nanoparticles with a hydrophobic core based on poly(n-butyl cyanoacrylate) and a hydrophilic shell. Two families of amphiphilic polymers were used to stabilize the miniemulsion. The first one was constituted of three dextran derivatives synthesized in the laboratory: DexP11, DexP16 and DexP22. The other three stabilizers were commercial products based on PEO: Brij®78, Brij®700, and Tween®80. Their stability under the conditions used for miniemulsion polymerization was checked. Their adsorption at oil-water interface was studied by dynamic surface tension measurement. Despite the high reactivity of the monomer, nanoparticles of poly(n-butyl cyanoacrylate) were synthesized via anionic and/or radical miniemulsion polymerization. Particle size, surface coverage and hydrophilic layer thickness were controlled by the structure and the amount of the amphiphilic polymer in the continuous phase, while the molar mass of the poly(n-butyl cyanoacrylate) depending on the pH of the continuous phase and the polymerization mechanism (anionic or radical). Finally, the encapsulation and the release of a model compound were studied
-Poly(n-butyl cyanoacrylate)
-Hydrophilic layer
-Kinetic
-Nanoparticle
-Miniemulsion
-Kinetic
Source: http://www.theses.fr/2007INPL101N/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
____________________________________________________________________________________________________________________________
Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources Procédés Produits Environnement

Laboratoire de Chimie Physique Macromoléculaire UMR CNRS-INPL 7568


THESE

Présentée publiquement pour obtenir le grade de

DOCTEUR
DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Spécialité : Génie des procédés et des produits

Par

Man WU

« Synthèse de nanoparticules à propriétés de surface
contrôlées par polymérisation en miniémulsion pour
la vectorisation de molécules actives »

Soutenue publiquement le 13 décembre 2007
devant la Commission d’Examen

MEMBRES DU JURY

Présidente : Marie-Laure VIRIOT, DR. CNRS, Nancy

Rapporteurs : François GANACHAUD, CR. CNRS, Montpellier
Christine VAUTHIER, DR. CNRS, Chatenay-Malabry
Examinateurs : Abdelhamid ELAISSARI, DR. CNRS, Lyon
Invitée : Christine GERARDIN, Pr. UHP, Nancy
Directrice de thèse : Edith DELLACHERIE, Pr. Emérite ENSIC, Nancy
Co-directrice de thèse : Emmanuelle MARIE, CR. CNRS, Nancy Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au sein du groupe « Polymères et
Matériaux de spécialité » du Laboratoire de Chimie Physique Macromoléculaire (LCPM,
UMR CNRS-INPL 7568, Nancy-université).

Je remercie en premier lieu Madame Edith Dellacherie, Professeure émérite à l’Ecole
Nationale Supérieure des Industries Chimiques (ENSIC), de m’y avoir accueillie. Je lui suis
particulièrement reconnaissante pour avoir suivi ce travail durant ces trois années, mais
également pour la confiance et les conseils scientifiques qu’elle m’a apporté.

Je tiens tout particulièrement à remercier Madame Emmanuelle Marie, Chargée de
recherche CNRS au LCPM, pour m’avoir encadré et avoir rendu ce travail si passionnant. Je
la remercie pour la confiance qu’elle m’a donné au cours de ces trois années, sa patience
immuable, sa disponibilité de chaque instant, et la qualité scientifique de ses nombreux
conseils qui m’ont permis d’aboutir à la réalisation de ce travail.

Je voudrais remercier Madame Marie-Laure Viriot, Directrice de Recherche au CNRS
au Département de Chimie-Physique des Réactions (DCPR, UMR CNRS-INPL 7630,
Nancy-université), pour avoir accepté de participer à ce jury de thèse et d’être la présidente
de jury, et également pour les encouragements et les conseils sur la présentation de la thèse
qu’elle m’a apporté.

Que Madame Christine VAUTHIER, Directrice de Recherche au CNRS au
Laboratoire de Physico-Chimie, Pharmacotechnie, Biopharmacie (LBCPB, UMR CNRS-
Université Paris-sud XI 8612), et que Monsieur François GANACHAUD, Chargée de
recherche CNRS au Laboratoire de Chimie Macromoléculaire (LCM, UMR CNRS-ENSCM
5076), trouvent ici l’expression de ma profonde reconnaissance pour l’honneur qu’ils m’ont
fait en acceptant de juger ce travail et d’en être rapporteur.

J’adresse aussi mes remerciements à Monsieur Abdelhamid ELAISSARI, Directeur de
Recherche au CNRS au Laboratoire de Laboratoire d'Automatique et de Génie dEs Procédés
(LAGEP, UMR CNRS-CPE 5007) et à Madame Christine GERARDIN, Professeure à
l’Université Henri Poincaré pour avoir accepté de juger ce travail.
Mes plus grands remerciements vont également à Céline Frochot, Chargée de
recherche au CNRS au Département de Chimie-Physique des Réactions (DCPR, UMR
CNRS-INPL 7630, Groupe ENSIC, Nancy-université), pour son encadrement et ses précieux
conseils durant toute l’étude par spectroscopie de fluorescence.

Je tiens à remercier sincèrement Alain Durand, Professeur à l’ENSIC, pour son aide,
ses conseils scientifiques et l’énergie qu’il apporte. Mes remerciements s’adressent aussi à
Jean-Luc Six, Maître de conférences à l’Ecole Européenne d’Ingénieurs du Génie des
Matériaux (EEIGM), pour le soutien qu’il a donné envers ses monitrices. Merci également à
Cécile Nouvel, Maître de Conférences à l’ENSIC et Michèle Léonard Chargée de Recherche
au CNRS.

J’adresse mes remerciements à Madame Marie-Christine Grassiot pour son aide et son
appui technique tout au long de ces années. Je tiens également à remercier Monsieur Olivier
Fabre pour les études en RMN. Je remercie Mesdames Jeanine Fourier et Dominique Stork
pour leur aide administrative et leur habituelle gentillesse.

Je voudrais également remercier Wei pour sa contribution à ces travaux au cours de
son stage au laboratoire.

Un grand merci à tous mes collègues passés et présents avec qui j’ai passé de très bons
moments : Anne-Sophie, Charbel, Emelyne, Fatiha, Magali, Michel et Sébastien, et qui ont su
mettre une bonne ambiance dans le bureau : Ahmed, Cécile, Charlotte, Elise, Fred, Hervé,
Julie, Ludovic, Poup et Rudy. Merci à mes chers compatriotes : Mian, Yuan, Ying et Hongyu.
Je ne saurais également oublier tous les membres du laboratoire qui ont, de près ou de loin,
contribué à l’accomplissement de ces travaux.

Enfin, un grand merci du fond du cœur à mes proches, et plus particulièrement à mes
parents et à Xiaofeng qui m’ont toujours aidé et soutenu tout au long de ces années.







SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................1


Chapitre I : Généralités sur la vectorisation de médicaments.................................6

1. INTRODUCTION...................................................................................................................7

2. INTRODUCTION A LA VECTORISATION DE MEDICAMENTS...............................8
2.1. Définition de la vectorisation ............................................................................................ 8
2.2. Générations de vecteurs de médicaments.......................................................................... 9
ère2.2.1. Vecteurs de 1 génération : les vecteurs hépato-spléniques......................................9
ème2.2.2. Vecteurs de 2 génération : les vecteurs « furtifs »................................................11
ème2.2.3. Vecteurs de 3 génération : les vecteurs à reconnaissance moléculaire.................14
2.3. Avantages de la vectorisation de médicaments............................................................... 15

3. PRINCIPAUX POLYMERES UTILISES POUR LA VECTORISATION DE
MEDICAMENTS ..................................................................................................................17
3.1. Polymères naturels.......................................................................................................... 17
3.1.1. Chitosane...................................................................................................................18
3.1.2. Alginate.....................................................................................................................19
3.1.3. Dextrane....20
3.2. Polymères synthétiques................................................................................................... 20
3.2.1. Polyesters aliphatiques..............................................................................................21
3.2.2. Dérivés du type méthacrylate....................................................................................22
3.2.3. Poly(alkyl cyanoacrylate)..........................................................................................23
3.2.4. Poly(oxyde d’éthylène).............................................................................................23

4. METHODES DE PREPARATION DES NANOPARTICULES......................................24
4.1. Préparation de nanoparticules par polymérisation de monomères.................................. 24
4.2. Préparation de nanoparticules à partir de polymères préformés ..................................... 25
4.2.1. Emulsion/évaporation de solvant ..............................................................................25
4.2.2. Fluide supercritique...................................................................................................26
4.2.3. « Salting out » ...........................................................................................................27
4.2.4. Nanoprécipitation......................................................................................................28
4.3. Procédés d’hydrophilisation de surface........................................................................... 28
4.3.1. Adsorption physique de polymères amphiphiles ......................................................29
4.3.2. Fixation chimique du polymère hydrophile ..............................................................29

5 NANOPARTICULES DE POLY(ALKYL CYANOACRYLATE)..................................30
5.1. Préparation de poly(alkyl cyanoacrylate)s ...................................................................... 31
5.2. Préparation de nanoparticules de poly(alkyl cyanoacrylate)........................................... 31
5.2.1. Préparation des nanoparticules de poly(alkyl cyanoacrylate) à partir des monomères
...............................................................................................................................32
5.2.2. Préparation des nanoparticules de poly(alkyl cyanoacrylate)s à partir du polymère
préformé ....................................................................................................................35
5.3. Dégradation et toxicité des nanoparticules de poly(alkyl cyanoacrylate)....................... 36
5.4. Applications thérapeutique de nanoparticules de poly(alkyl cyanoacrylate).................. 38

6 CONCLUSIONS....................................................................................................................38
7 REFERENCES......................................................................................................................40


Chapitre II : Synthèse et/ou caracétrisation des polymères amphiphiles........ 50

1. INTRODUCTION.................................................................................................................51

2. SYNTHESE DU DEXTRANE PHENOXY ........................................................................52
2.1. Généralités sur le dextrane .............................................................................................. 52
2.2. Modification chimique du dextrane ................................................................................ 54
2.2.1. Synthèse du dextrane phénoxy..................................................................................56
2.2.2. Détermination du taux de substitution des dextranes phénoxy .................................57

3. STABILITE DES POLYMERES AMPHIPHILES EN MILIEU ACIDE ......................60
3.1. Cas des dextranes phénoxy ............................................................................................. 60
3.1.1. Matériel et méthodes.................................................................................................60
3.1.2. Résultats....................................................................................................................63
3.2. Dérivés du poly(oxyde d’éthylène)................................................................................. 64

4. ADSORPTION DES POLYMERES AMPHIPHILES AUX INTERFACES
LIDUIDE/LIQUIDE .............................................................................................................66
4.1. Rappels théoriques.......................................................................................................... 66
[49]4.1.1. Thermodynamique de Gibbs ................................................................................66
4.1.2. Cinétique d’adsorption des polymères à l’interface..................................................70
4.2. Méthodes et matériels...................................................................................................... 72
4.3. Résultats des mesures de la tension interfaciale eau/dodécane....................................... 74
4.3.1. Détermination des coefficients de diffusion..............................................................76
4.3.2. ination des isothermes de Gibbs....................................................................77
*4.3.3. Détermination du t ...................................................................................................80

5. CONCLUSIONS....................................................................................................................82

6. REFERENCES......................................................................................................................84


Chapitre III : Préparation et caractérisation de nanoparticules de poly(n-
butyl cyanoacrylate).............................................................................................. 88

1. INTRODUCTION.................................................................................................................89

2. POLYMERISATION EN MINIEMULSION....................................................................90

3. METHODES DE CARACTERISATION DES NANOPARTICULES ...........................92
3.1. Mesure de la taille des particules .................................................................................... 92
3.1.1. Granulométrie............................................................................................................92
3.1.2. Microscopie électronique à balayage ........................................................................94
3.2. Détermination de l’épaisseur de la couche hydrophile ................................................... 94
3.2.1. Principe des mesures du potentiel zêta......................................................................94
3.2.2. Calcul de l’épaisseur de la couche hydrophile ..........................................................97
3.3. Détermination du taux de recouvrement ......................................................................... 98 3.3.1. Détermination de la quantité de polymère amphiphile adsorbé à la surface de
particules ...................................................................................................................99
3.3.2. Aire des particules...................................................................................................100
3.3.3. Calcul du taux de recouvrement..............................................................................101
3.4. Stabilité de la couche hydrophile .................................................................................. 101
3.4.1. Désorption au lavage...............................................................................................101
3.4.2. Désorption en présence de dodécyl sulfate de sodium............................................101

4. OPTIMISATION DES CONDITIONS D’EMULSIFICATION....................................102
4.1. Influence du temps d’homogénéisation......................................................................... 102
4.2. Influence de la durée de sonication ............................................................................... 104

5. RESULTATS DE CARACTERISATION DES NANOPARTICULES.........................105
5.1. Nanoparticules recouvertes par les dextranes phénoxy................................................. 105
5.2. Nanoparticules recouvertes par des dérivés du POE..................................................... 111

6. CONCLUSIONS..................................................................................................................117

7. REFERENCES....................................................................................................................120


Chapitre IV : Cinétique de polymérisation du n-butyl cyanoacrylate en
émulsion et en miniémulsion .............................................................................. 122

1. INTRODUCTION...............................................................................................................123

2. GENERALITES SUR LA CINETIQUE DE POLYMERISATION EN EMULSION ET
EN MINIEMULSION.........................................................................................................124
2.1. Cinétique de polymérisation en émulsion ..................................................................... 124
2.1.1. Nucléation...............................................................................................................124
2.1.2. Période stationnaire.................................................................................................125
2.1.3. Terminaison.............................................................................................................126
2.2. Cinétique de polymérisation en miniémulsion directe.................................................. 126
2.2.1. Influence de la taille des particules .........................................................................127
2.2.2. Influence de l’hydrophobe ......................................................................................127
2.2.3. Influence de l’amorceur ..........................................................................................128

3. CINETIQUE DE LA POLYMERISATION DU N-BUTYL CYANOACRYLATE EN
EMULSION ET EN MINIEMULSION............................................................................128
3.1. Optimisation du protocole de suivi de la polymérisation.............................................. 130
3.1.1. Choix du polymère amphiphile...............................................................................130
3.1.2. Utilisation de l’isocyanate de trichloroacétyle ........................................................131
3.1.3. Protocole expérimental............................................................................................131
3.2. Méthodes de caractérisation.......................................................................................... 133
3.2.1. Taux de conversion du monomère ..........................................................................133
3.2.2. Evolution de la masse molaire du PBCA ................................................................134
3.3. Suivi de la polymérisation du BCA en miniémulsion................................................... 136
3.3.1. ère137
3.3.2. asse molaire ................................................................................138
4. ENCAPSULATION ET LIBERATION D’UN PRINCIPE ACTIF MODELE............143
4.1. Généralité...................................................................................................................... 143
4.2. Encapsulation du pyrène ............................................................................................... 146
4.3. Cinétique de libération du pyrène ................................................................................. 147
4.3.1. Matériel et méthode.................................................................................................147
4.3.2. Résultats de la cinétique de la libération du pyrène ................................................149

5. CONCLUSIONS..................................................................................................................150

6. REFERENCES....................................................................................................................154


CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES............................................................ 157









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z.kouider

dggs

mardi 17 mai 2016 - 20:10

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