Polymère sensible au pH

Les polymères sensibles au pH peuvent être divisés en deux catégories : les anioniques qui ont des groupes acides (tels que -COOH et -SO₃H) et les cationiques qui ont des groupes basiques (-NH₂). Le mécanisme de réponse est le même pour les deux, uniquement le stimulus change. Lorsque ces groupes fonctionnels sont ionisés à un certain pH, ils acquièrent une charge (+/-). La répulsions entre les charges induit le changement de la forme des polymères[2].

Schématisation du comportement des polymères anioniques (polyacides) et des polymères cationiques (polybases) sous différentes conditions de pH.

Les polymères anioniques, sont des polymères qui ont des groupes acides. Des exemples de groupes fonctionnels acides comprennent les acides carboxyliques (-COOH), les acides sulfoniques (-SO₃H), les acides phosphoniques et les acides boroniques. Les polymères anioniques acceptent les protons à de faibles valeurs de pH. À des valeurs de pH plus élevées, ils perdent leurs protons et deviennent chargés négativement. Les charges négatives créent une répulsion que induit le gonflement du polymère. Ce comportement de gonflement est observé lorsque le pH est supérieur à la pKa du polymère.

Les polymères cationiques sont des polymères qui ont des groupes basiques. Ils acceptent les protons à pH faible comme les polymères anioniques mais deviennent chargés positivement. En revanche, à des pH plus élevés, ils sont neutres. Le gonflement est visible lorsque le pH est inférieur au pKa du polymère.

Les polymères sensibles au pH peuvent être synthétiques, naturels ou artificiels. Les exemples des polymères naturels incluent le chitosane, l'acide hyaluronique et le dextrane. Le Chitosane, l'un des plus fréquemment utilisés, est cationique. L'ADN étant chargé négativement, il pourrait être rattaché au chitosane comme un moyen pour livrer des gènes dans les cellules[3]. Les polymères naturels sont utilisés parce qu'ils affichent une bonne biocompatibilité, ce qui les rend utiles pour des applications biomédicales. Cependant, un inconvénient des polymères naturels, c'est que les chercheurs peuvent avoir plus de contrôle sur la structure des polymères synthétiques et peuvent donc concevoir ces polymères pour des applications spécifiques.

Structure chimique de l'acide hyaluronique

Structure chimique de dextrane

Structure chimique du chitosane

Les polymères peuvent être conçus pour répondre à plus d'un stimulus externe, tels que le pH et la température. Souvent, ces polymères sont structurés comme un copolymère où chaque segment affiche un type de réponse.

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour mesurer l'angle de contact d'une goutte d'eau sur la surface d'un polymère. La valeur de l'angle de contact est utilisée pour quantifier la mouillabilité ou l'hydrophobie du polymère[6].

Le degré de gonflement est égal à (la masse à l'état gonflé - la masse à l'état contracté) / la masse à l'état contracté * 100. Il est déterminé en pesant les polymères avant et après leur gonflement ou contraction. Cela indique combien le polymère peut gonfler à la suite d'un changement de pH.

Le point critique correspond au pH pour lequel un changement structurel important dans la façon dont les molécules sont disposées est observé. Ce changement structurel n'implique pas la rupture de liaisons chimiques, mais plutôt un changement de conformation. Par exemple, une transition gonflement/contraction constituerait un changement réversible de conformation. La valeur du point critique du pH peut être déterminée par l'examen du degré de gonflement en fonction du pH. Les chercheurs visent à concevoir des molécules dont le point critique correspond à une application donnée[7].

La microscopie confocale, la microscopie électronique à balayage, la microscopie à force atomique et la spectroscopie Raman sont tous utilisées pour déterminer la façon dont la surface d'un polymère change en réponse au changement du pH.

Les polymères sensibles au pH ont fait l'objet de recherches poussées pour une utilisation dans l'administration de médicaments parce que les différentes parties du corps affichent différentes valeurs de pH. Par exemple, le sang se trouve à un pH de 7,4-7,5, tandis que le pH de l'estomac est de 1,0-3,0. L'objectif est de concevoir des polymères avec une sensibilité au pH qui leur permet de libérer un médicament au bon endroit. Par exemple, puisque les polymères anioniques sont neutres à des pH bas et sont chargés négativement à des pH plus élevés, ils ne gonfleront pas dans l'acide de l'estomac mais pourraient gonfler et libérer un médicament quand ils arrivent dans l'intestin.

Les hydrogels sont un type populaire de matériaux à base de polymère considéré pour la libération contrôlée des médicaments. Ils peuvent être fabriqués en différentes formes pour différents itinéraires de livraison dans le corps. En général, l'objectif est d'avoir la libération du médicament par exsudation quand l'hydrogel gonfle, mais la libération du médicament pourrait également se produire lors de sa contraction.

Enfin, même s'il est courant de considérer le comportement de gonflement/contraction comme la principale méthode de libération de médicaments, les médicaments peuvent également être libérés par rupture de liaisons chimiques. Si le médicament en question a été incorporé dans le polymère avec des liaisons chimiques qui ne doivent se briser que sous certaines conditions de pH, le médicament pourrait se libérer à l'emplacement désiré dans le corps.

La livraison de gène repose sur l'acheminement des gènes vers le noyau d'une cellule. Généralement, ce processus se fait par endocytose. Cependant, les endosomes ont un pH de 5,5-6,5 qui pourrait endommager les gènes avant qu'ils n'atteignent le noyau. Les polymères sensibles au pH pourraient être utilisés pour percer la membrane de l'endosome, de sorte que les gènes arrivent intactes dans la cellule.

Les polymères sensibles au pH ont été utilisés dans plusieurs systèmes micromécaniques. Par exemple, les chercheurs ont conçu des microvannes à l'aide d'un hydrogel sensible au pH qui a agi comme l'actionneur de la vanne. Des solutions de différentes valeurs de pH sont introduites dans des canaux autour de la vanne, l'hydrogel gonfle et bloque ces canaux à la bonne valeur du pH[8]. D'autres chercheurs ont utilisé un hydrogel pour dévier un cantilever. Ils ont fait un cantilever en silicium avec un polymère sur le dessus. Le polymère gonfle à la suite de la modification du pH de la solution environnante et oblige le cantilever à plier. La déflexion du cantilever pourrait être en corrélation avec le pH de la solution[9].

Les polymères sensibles au pH ont été considérés pour être utilisés dans les membranes. Un changement de pH pourrait changer la capacité du polymère à laisser des ions la traverser ou pas. En outre, le comportement de gonflement/contraction qui change avec le pH pourrait permettre aux pores de la membrane d'ouvrir ou de fermer et de faciliter le passage de molécules à travers la membrane[10].

Les polymères sensibles au pH ont été utilisés pour modifier les surfaces des matériaux. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour modifier la mouillabilité de la surface. Des chercheurs ont créé un film mince d'un polymère cationique. Ce polymère est chargé positivement et se gonfle en raison de la répulsion électrostatique à faible pH. À un pH élevé, il perd des protons et devient hydrophobe. L'angle de contact augmente.