Tunable adhesion of hydrogels
Adhésion stimulable d'hydrogels
Résumé
The tunable adhesion of hydrogels on surfaces has systematically been studied by using specific and reversible polymer-polymer interactions. To this end, model surfaces of poly(acrylic acid) (PAA) brushes were obtained by "grafting to" and their structure, which is pH-sensitive, was characterized by neutron reflectivity. Meanwhile, neutral hydrogels of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) and poly(acrylamide) (PAM) were synthesized by conventional radical polymerization, and their mechanical properties, their structure and their swelling were studied and varied by the means of two parameters: the initial swelling and the cross-linking density. In aqueous solution, the polymeric pairs of PAA and PDMA or PAA and PAM form interpolymer complexes. Their formation depends on pH and temperature and was studied by turbidimetry. Associations occur at low pH in both cases, and even if the two polymeric pairs are chemically similar, their complexations correspond to a standard UCST-type phase transition when the the proton acceptor is PAM but to an LCST-type transition with PDMA. The formation of these complexes in solution was also studied at the interfaces between the PAA brush and the PDMA and PAM hydrogels. The swelling behavior of the brush was investigated by neutron reflectivity: in the presence of the gel, the brush is additionally stretched in the presence of interactions at low pH and its structure remains unperturbed at high pH. A macroscopic study of these interactions at interfaces was carried out by the development of an experimental setup and protocols suitable for the quantitative measurement of the adhesion energy between immersed materials. Using a flat-flat contact test between the PAA brushes and PDMA and PAM gels covalently attached to substrates, an immersed and pH-tunable adhesion of the magnitude of thermodynamic adhesions has been demonstrated as well as the relatively slow kinetics involved in the formation and rupture of the interpolymer complexes at interfaces.
L'adhésion stimulable d'un hydrogel sur une surface a été étudiée de façon systématique par le jeu d'interactions spécifiques réversibles entre polymères. A cette fin, des surfaces modèles de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) ont été obtenues par " grafting to " et leur structure, sensible au pH, a été caractérisée par réflectivité de neutrons. Parallèlement, des hydrogels neutres de poly(N,N-diméthylacrylamide) (PDMA) et de poly(acrylamide) (PAM) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire conventionnelle ; leurs propriétés mécaniques, leur structure et leur gonflement ont été étudiés et variés au moyen de deux paramètres : le gonflement initial et le taux de réticulant. En solution aqueuse, les couples de polymères PAA et PDMA ou PAA et PAM forment des complexes inter polymères dont l'apparition dépend du pH et de la température. Les associations se produisent à pH faible dans les deux cas ; et quoique relativement similaire d'un point de vue chimique, ces couples de polymères s'associent par une séparation de phase de type UCST lorsque l'accepteur de proton est le PAM, mais par une transition de type LCST avec le PDMA. La formation de ces complexes en solution a aussi été étudiée aux interfaces entre la brosse de PAA et les hydrogels de PDMA et PAM. Une étude à l'échelle de la brosse a été menée par réflectivité de neutrons : en présence de gel, un gonflement additionnel de la brosse est observé en présence des interactions à faible pH alors que sa structure n'est pas perturbée à pH élevé. L'étude macroscopique de ces interactions aux interfaces correspond aux tests d'adhésion : un montage expérimental et des protocoles adaptés à la mesure quantitative de l'énergie d'adhésion entre matériaux immergés. Au moyen d'un contact plan-plan entre les brosses de PAA et les gels de PDMA et PAM attachés de façon covalente sur des substrats, une adhésion immergée stimulable par le pH de l'ordre de grandeur des adhésions thermodynamiques a été mise en évidence, de même que les cinétiques relativement lentes impliquées dans la formation et la rupture des complexes aux interfaces.