Non-covalent interactions including nucleobase hydrogen bonding and phosphonium/ammonium ionic aggregation were studied in block and random polymers synthesized using controlled radical polymerization techniques such as nitroxide mediated polymerization (NMP) and reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT). Non-covalent interactions were expected to increase the effective molecular weight of the polymeric precursors through intermolecular associations and to induce microphase separation. The influence of non-covalent association on the structure/property relationships of these materials were studied in terms of physical properties (tensile, DMA, rheology) as well as morphological studies (AFM, SAXS). Ionic interactions, which possess stronger interaction energies than hydrogen bonds (~150 kJ/mol) were studied in the context of phosphonium-containing acrylate triblock (ABA) copolymers and random copolymers. Phosphonium-containing ionic liquid monomers with different alkyl substituent lengths and counterions enabled an investigation of the effects of ionic aggregation of phosphonium cations on the polymer physical properties. The polymerization of styrenic phosphonium-containing ionic liquid monomers using a difunctional alkoxyamine initiator, DEPN2, afforded an ABA triblock copolymer with an n-butyl acrylate soft center block and symmetric phosphonium-containing external reinforcing blocks. Small-angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM) of triblock copolymers revealed pronounced microphase separation at the nanoscale. Phosphonium aggregation governed block copolymer flow activation energies. In random copolymers, the phosphonium cations only weakly aggregated, which strongly depended on the length of alkyl substituents and the type of counterions. Acrylate random copolymers consisting of quaternary ammonium functionalities were synthesized using reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT). The obtained copolymers possessed controlled compositions and narrow molecular weight distributions with molecular weights ranging from Mn =50,000 to 170,000 g/mol. DMA evidenced the weak aggregation of ammonium cations in the solid state. Additionally, this ionomer was salt-responsive in NaCl aqueous solutions. Hydrogen bonding, a dynamic interaction with intermediate enthalpies (10-40 kJ/mol) was introduced through complementary heterocyclic DNA nucleobases such as adenine, thymine and uracil. Our investigations in this field have focused on the use of DNA nucleobase pair interactions to control polymer self-assembly and rheological behavior. Novel acrylic adenine- and thymine-containing monomers were synthesized from aza-Michael addition reaction. The long alkyl spacers between nucleobase and polymer backbone afforded structural flexibility in self-assembly process. Adenine-containing polyacrylates exhibited unique morphologies due to adenine-adenine π-π interactions. The complementary hydrogen bonding of adenine and thymine resulted in disruption of adenine-adenine π-π interactions, leading to lower plateau modulus and lower softening temperatures. Moreover, hydrogen bonding interactions enabled the compatibilization of complementary hydrogen bonding guest molecules such as uracil phosphonium chloride. / Ph. D.

Ce travail de thèse porte sur la synthèse de copolymères greffés à squelette 1,4-polybutadiène (PBu) et polyoxanorbornène par combinaison de ROMP et chimie click et/ou polymérisation RAFT selon la méthode grafting through. Une gamme de macromonomères symétriques et non symétriques originaux poly(oxyde d’éthylène) (POE), poly(acrylate d’éthyle), poly(acrylamide de N-isopropyle) (PNIPAM) et POE-b-PNIPAM ont été synthétisés à partir de précurseurs oxanorbornène et cyclobutène fonctionnalisés présentant un ou deux groupements clickables et/ou un agent RAFT par chimie click et polymérisation RAFT. Une série de PBu-g-POE et polyoxanorbornène-g-POE bien définis ont été obtenus par ROMP en solution en utilisant des amorceurs de Grubbs et de Schrock. Les tests de ROMP en milieu aqueux dispersé ont montré que la mini-émulsion était efficace pour la polymérisation des macromonomères POE à extrémité cyclobutényle et oxanorbornényle. / The objective of this thesis is the preparation and characterization of well-defined graft copolymers with 1,4 polybutadiene (PBu) backbone and polyoxanorbornene backbone by combination of ROMP and “click” reaction and/or RAFT polymerization according to the “grafting through” method. A series of new symmetrical or non-symmetrical poly(ethylene oxide) (PEO), poly(ethyl acrylate), poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and PEO-b-PNIPAM macromonomers was prepared by “click” reaction and/or RAFT polymerization from cyclobutenyl and oxanorbornenyl precursors -containing “click-able” groups and/or a RAFT agent. A series of polyoxanorbornene-g-PEO and PBu-g-PEO with low PDIs has been obtained by ROMP in solution using the Grubbs or the Schrock catalysts. The ROMP in dispersed aqueous media showed that the mini-emulsion conditions were efficient for the polymerization of both oxanorbornenyl- and cyclobutenyl-functionalized PEO macromonomers.

The goal of this work was to synthesize complex macromolecular architectures such as dendrimers and dendronized polymers, and evaluate the effect from the dendrons on the optical and material properties. The work presented in this doctoral thesis, Dendrimers and Dendronized Polymers - Synthesis and Characterization, is divided into one minor and one major part. The first part deals with the synthesis and characterization of two sets of dendritic porphyrins based on 2,2-bis(methylol)propionic acid (bis-MPA). The second part deals with the synthesis and characterization of dendronized poly(hydroxyl ethyl methacylate), dendronized poly(norbornene), and dendronized triblock copolymers, were the pendant dendrons are based on bis-MPA. Both free-base and zinc containing dendritic porphyrins was synthesized up to the fifth generation by employing iterative ester coupling utilizing the acetonide protected anhydride of bis-MPA as generic building block. First and second generation dendron bearing methacrylates based on 2-hydroxyethyl methacrylate were also synthesized by utilizing the acetonide protected anhydride of bis-MPA, and subsequently polymerized by atom transfer radical polymerization. By adopting a divergent “graft-to” approach starting from the first generation dendronized poly(hydroxyl ethyl methacrylate), well-defined dendronized polymers with acetonide, hydroxyl, acetate and hexadecyl surface functionality were obtained. By utilizing the same divergent iterative esterfication, first to fourth generation dendron functionalized norbornenes were synthesized. These monomers were polymerized by ring-opening metathesis polymerization, utilizing either Grubbs´ first or second generation catalyst. Acrylate functional first to fourth generation monomers were synthesized by the copper(I) catalyzed “click” coupling of azido functional dendrons and propargyl acrylate. The monomers were polymerized to dendronized triblock copolymers by reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization, utilizing a difunctional poly(methyl methacrylate) as macro chain transfer agent. The bulk properties of the dendronized poly(hydroxyl ethyl methacrylate) and poly(norbornene) were investigated by dynamic rheological measurements and differential scanning calorimetry. It was found that all the acetonide functional bis-MPA based dendronized polymers had glass transitions temperatures in a similar range. The rheological behaviour showed that for the dendronized polymers having the same backbone length the complex viscosity as a function of functionality was independent of the surface functionality of the polymer. The generation number of the polymer had a profound influence on the complex viscosity, changing form a Newtonian behaviour to a shear thinning behaviour when the generation of the dendrons was increased from two to four. The dendronized poly(norbornene) had increasingly shorter backbone lengths for each generational increase, and for the materials set with comparably lower degree of polymerization, the G’ part of the complex modulus was mostly affected by attaching larger dendrons. In the case of the sample set of higher degree of polymerization, the second, third, and fourth generation samples had similar slopes of the G’ and G” curves, indicating a similar relaxation behaviour. / QC 20100914

Gegenstand dieser Arbeit war die Synthese von thermisch schaltbaren Kammcopolymeren auf Basis von N-(Isopropylacrylamid) (NiPAAm) und Polyethylenglykolmakromonomeren (PEGMA). Die intensive Charakterisierung der aus diesen Copolymeren hergestellten Schichten und deren Anwendung als Zellkultursubstrate war ein weiteres Forschungsziel dieser Arbeit. Die mit Hilfe der neuartigen Schichten erhaltenen Zellkultursubstrate wurden anhand verschiedener adhärenter Zelllinien erfolgreich getestet. Alle getesten Zelltypen (Mausfibroblasten, humane Endothelzellen der Nabelschnurvene und humane korneale Endothelzellen) proliferierten auf den angebotenen Zellkultursubstraten bei 37°C und konnten durch senken der Temperatur geerntet werden.

Ce travail concerne la modification de surface de nanoparticules magnétiques (MNP) par des copolymères réactifs renfermant des cycles azlactone, aux fins de l’élaboration de nano-supports destinés à l’immobilisation de biomolécules. Trois stratégies basées sur des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée ont été mises en œuvre.Dans la première, un copolymère poly(méthacrylate de poly(éthylène glycol)-stat-2-vinyl-4,4-diméthylazlactone) (poly(PEGMA-stat-VDM)) a été préparé par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) selon la technique « grafting from » à partir des MNP et utilisé pour la bioconjugaison de thymine peptide nucleic acid (PNA). La présence de l’écorce polymère et l’immobilisation du PNA ont été confirmées par différentes techniques complémentaires (FTIR, VSM).La deuxième stratégie est basée sur l’élaboration de MNP greffées pour la bioconjugaison de l’acide folique, via l’ARTP du PEGMA et de la VDM. L’analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) a montré qu’après bioconjugaison les MNP possèdent une très bonne aptitude à la dispersion en milieu aqueux.La troisième stratégie met en œuvre la technique «grafting onto » de copolymères poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) pour la préparation de nanosupports magnétiques recyclables. Des copolymères à blocs PEO-b-PVDM ont été préparés par la technique de polymérisation RAFT puis greffés sur des MNP fonctionnalisées amino-silane. Les analyses en TEM et par spectroscopie de corrélation de photons ont révélé l’aptitude à la dispersion aqueuse et à la formation de nanoclusters. Les clusters ainsi obtenus ont été utilisés en tant que nanosupports magnétiques recyclables pour l’adsorption d’anticorps. / We herein report the surface modification of magnetite nanoparticle (MNP) with copolymers containing active azlactone rings via a grafting ‘from’ and grafting ‘onto’ controlled radical polymerization (CRP) for use as a nano-solid support for immobilization with biomolecules. Three different approaches were presented as following. First, synthesis of poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate-stat-2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEGMA-stat-VDM)-grafted MNP via a grafting ‘from’ atom transfer radical polymerization (ATRP) and its application as a platform for conjugating thymine peptide nucleic acid (PNA) monomer were presented. The presence of polymeric shell and the immobilization of thymine PNA on MNP core were confirmed by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and vibrating sample magnetometry (VSM) techniques. The second strategy is based on the synthesis of MNP grafted with PEGMA and VDM via ATRP for conjugation with folic acid (FA). The existence of PEGMA and VDM in the structure was characterized by FTIR, TGA and VSM. After the FA conjugation, Transmission Electron Microscopy (TEM) results indicated that the FA-conjugated MNP having high VDM content exhibited good dispersibility in water.Third, the synthesis of MNP grafted with poly(ethylene oxide)-block-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) block copolymer via a grafting ‘onto’ strategy and its application as recyclable magnetic nano-support for adsorption with antibody were studied. PEO-b-PVDM diblock copolymers were first synthesized using reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and then grafted onto amino-functionalized MNP. TEM images and photo correlation spectroscopy (PCS) indicated an improvement in the particle dispersibility in water after coating with the copolymers. The nanoclusters with PEO-b-PVDM copolymer coating were used as recyclable magnetic nano-supports for adsorption with antibody.

Des nanocapsules (NCs) biocompatibles destinées à l’administration intraveineuse d’agents anticancéreux hydrophobes ont été élaborées par polymérisation RAFT en miniémulsion, confinée à l’interface liquide/liquide. La polymérisation RAFT a été utilisée pour contrôler la croissance des greffons polymères constituant l’écorce des NCs à partir d’un transurf (macroagent RAFT et tensioactif) multifonctionnel dérivé du dextrane (DexN3-τCTAγ). Des NCs constituées d’une écorce en polymère hydrophobe (poly(méthacrylate de méthyle)) entourant un cœur liquide huileux (Miglyol®810) et recouvertes d’une couronne hydrophile polysaccharide (dextrane) ont ainsi été obtenues. Ces nano-objets ont été caractérisés en termes de taille, de recouvrement en dextrane (quantité de polysaccharide, épaisseur et stabilité), de stabilité colloïdale et de morphologie. La fabrication de NCs à écorce polymère pH-sensible a également été abordée. Enfin, le potentiel biomédical de ces nano-objets a été évalué grâce à différentes études : i) encapsulation et libération d’une substance active modèle, ii) cytotoxicité de NCs, iii) interactions des NCs avec les protéines plasmatiques et iv) fonctionnalisation de la surface des NCs par chimie « click ». / Biocompatible nanocapsules (NCs) for intravenous administration of hydrophobic anticancer agents were produced by interfacial Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT) miniemulsion polymerization. Controlled growth of polymeric grafts constituting NCs shell was obtained using a multi-reactive dextran-based transurf called DexN3-τCTAγ (acting both as macroRAFT agent and surfactant) to mediate RAFT polymerization at the liquid/liquid interface. NCs composed of a hydrophobic polymer shell (poly(methyl methacrylate)), an oily liquid core (Miglyol®810) and a hydrophilic polysaccharide coating (dextran) were obtained. These nano-objects were characterized in terms of size, dextran coverage (density, thickness and stability), colloidal stability and morphology. Synthesis of NCs with a pH-sensitive polymer shell was approached. Finally, potential of these nano-objects for biomedical applications was evaluated by studies on different aspects: i) encapsulation and delivery of a model active substance, ii) NCs cytotoxicity, iii) NCs interactions with plasma proteins, and iv) surface functionalization of NCs by “click chemistry”.

Les travaux réalisés portent sur la synthèse de nanoparticules de PVDF à l’aide de la polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation (RAFT) en émulsion. Dans un premier temps, un méthoxy poly(éthylène glycol) commercial porteur d’une fonction hydroxyle (PEG-OH) a été employé pour la stabilisation des particules de PVDF. Cette stabilisation est assurée par des réactions de transfert irréversible opérant le long des chaînes de PEG conduisant à la formation in situ d’un stabilisant de type copolymère greffé. Par la suite, un PEG modifié chimiquement à partir du PEG-OH, portant à son extrémité de chaîne une fonction xanthate (macroRAFT, PEG-X), réactive et réactivable, a été utilisé. Les expériences réalisées en présence de ce macroRAFT ont démontré une forte implication de l’extrémité xanthate dans le procédé de polymérisation en émulsion du VDF. En effet, des particules stables de l’ordre de 70 nm de diamètre sont obtenues, alors que l’utilisation de PEG-OH conduit à des tailles beaucoup plus importantes (200 nm). Cette tendance est confirmée lors de l’étude de l’impact de divers paramètres comme la masse molaire de la chaîne PEG ou encore la quantité d’amorceur. Des analyses complémentaires (tension de surface et calorimétrie différentielle à balayage) ont permis de comparer le taux d’ancrage de PEG-X et de PEG-OH. Les quantités en macroRAFT ont ensuite été augmentées dans le but d’obtenir des particules composées de copolymères à blocs. Des analyses RMN approfondies ont été menées pour identifier les espèces créées lors de la polymérisation en émulsion du VDF lorsque PEG-OH et PEG-X sont utilisés en tant que stabilisant. Par comparaison, des PEG portant des fonctions réactives de types (méth)acrylate et thiol ont également été employés comme stabilisant et leurs efficacités comparées à celles de PEG-OH et de PEG-X. Par ailleurs, d’autres architectures à base de PEG ont été évaluées en utilisant un macroRAFT difonctionnel (X-PEG-X) et un polymère greffé (PPEGA-X). Enfin, des latex de PVDF ont été synthétisés en présence de macroRAFT de type poly(acide (méth)acrylique) obtenus par polymérisation RAFT de l’acide acrylique ou méthacrylique en présence d’un trithiocarbonate ou d’un xanthate. Comme précédemment, plusieurs paramètres ont été variés comme la masse molaire des chaînes macromoléculaires, la quantité d’amorceur et la quantité de macroRAFT. Ces études ont encore une fois démontré la forte implication des extrémités RAFT dans la stabilisation des particules de PVDF / This work describes the synthesis of self-stabilized PVDF particles by combining the advantages of emulsion polymerization with those of controlled radical polymerization (CRP) using the RAFT process. First, a commercial methoxy poly(ethylene glycol) carrying a hydroxyl function (PEG-OH) was used for the stabilization of PVDF particles. The stabilization is provided by irreversible transfer reactions occurring along the PEG-OH chains leading to the formation of a grafted copolymer stabilizer in situ. This PEG-OH was then chain-end functionalized to introduce a xanthate group (macroRAFT, PEG-X). The experiments carried out in the presence of this macroRAFT demonstrated a strong implication of the xanthate chain-end in the VDF emulsion polymerization process. Indeed, particle sizes of 200 nm and 70 nm were obtained in the presence of PEG-OH and PEG-X, respectively. This trend was confirmed during the study of the impact of various parameters such as the molar mass of the PEG chain or the initiator amount. Additional analyses (surface tension measurement and differential scanning calorimetry) allowed to compare the anchoring efficiency of PEG-X and PEG-OH. The macroRAFT amount was then increased to form particles composed of block copolymer. In-depth NMR analyses were then conducted to identify the species created during the VDF emulsion polymerization process in the presence of PEG-OH and PEG-X. In comparison, PEGs carrying reactive functions such as (meth)acrylate and thiol were used as stabilizers and their efficiencies compared to those of PEG-OH and PEG-X. The macroRAFT architecture was also varied using a difunctional macroRAFT (X-PEG-X) and a grafted polymer (PPEGA-X). Finally, PVDF latexes were synthesized with poly((meth)acrylic acid) (P(M)AA) functionalized by either a trithiocarbonate or a xanthate. Like previously, several parameters were varied such as the macromolecular chain length, the initiator amount and the macroRAFT amount. Again, these studies demonstrated the strong impact of the RAFT chain-end in the stabilization of PVDF particles

Gegenstand dieser Arbeit war die Synthese von thermisch schaltbaren Kammcopolymeren auf Basis von N-(Isopropylacrylamid) (NiPAAm) und Polyethylenglykolmakromonomeren (PEGMA). Die intensive Charakterisierung der aus diesen Copolymeren hergestellten Schichten und deren Anwendung als Zellkultursubstrate war ein weiteres Forschungsziel dieser Arbeit. Die mit Hilfe der neuartigen Schichten erhaltenen Zellkultursubstrate wurden anhand verschiedener adhärenter Zelllinien erfolgreich getestet. Alle getesten Zelltypen (Mausfibroblasten, humane Endothelzellen der Nabelschnurvene und humane korneale Endothelzellen) proliferierten auf den angebotenen Zellkultursubstraten bei 37°C und konnten durch senken der Temperatur geerntet werden.

Dans cette thèse, des particules de polymère fonctionnalisées en surface avec des groupes poly (éthylène glycol) (PEG) ont été synthétisées pour favoriser leur interaction avec les dérivés cellulosique via liaisons hydrogène intermoléculaires. Deux voies de synthèse ont été proposées pour obtenir ses composites cellulose/latex.La première voie est basée sur l'auto-assemblage induit par polymérisation (PISA) pour former des nanoparticules fonctionnalisées avant leur adsorption sur un substrat cellulosique. La PISA tire profit de la formation de copolymères blocs amphiphiles dans l'eau en combinant la polymérisation en émulsion avec les techniques de polymérisation radicalaire contrôlées (RDRP). Ces dernières sont utilisées pour synthétiser des polymères hydrophiles agissant à la fois comme précurseur pour la polymerization en émulsion d'un monomère hydrophobe, et comme stabilisant des particules de latex obtenues. Deux techniques de RDRP ont été étudiées : les polymérisations RAFT et SET-LRP. Des polymères hydrophiles à base de PEG de faible masse molaire ont été synthétisés en utilisant ses deux techniques qui sont ensuite utilisés pour la polymérisation d'un bloc hydrophobe dans l'eau. Le transfert de l'agent de contrôle au site de la polymérisation était difficile en utilisant la SET-LRP en émulsion, conduisant à la formation de larges particules. En utilisant la RAFT en émulsion, des particules nanométriques ont été obtenues, avec un changement morphologique observé en fonction de la taille du segment hydrophobe, puis adsorbées sur des nanofibrilles de cellulose (CNF).La seconde voie utilise la polymérisation en émulsion classique réalisée en présence de nanocristaux de cellulose (CNC) conduisant à une stabilisation Pickering des particules de polymère. L'interaction cellulose/particule est assurée grâce à l'ajout d’un comonomère à type PEG. Une organisation a été visualisé dans laquelle plusieurs particules de polymère recouvrent chaque CNC / In this thesis, polymer particles surface-functionalized with poly(ethylene glycol) (PEG) groups were synthesized to promote their interaction with cellulose derivatives via intermolecular hydrogen bond. Two synthetic routes were proposed to obtain such cellulose/latex composites.The first route was based on the polymerization-induced self-assembly (PISA) to form functionalized polymer nanoparticles prior to adsorption onto cellulosic substrate. PISA takes advantage of the formation of amphiphilic block copolymers in water by combining emulsion polymerization with reversible-deactivation radical polymerization (RDRP) techniques. The latter were used to synthesize well-controlled hydrophilic polymer chains, acting as both precursor for the emulsion polymerization of a hydrophobic monomer, and stabilizer of the final latex particles. Two RDRP techniques were investigated: reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT), and single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP). Low molar mass PEG-based hydrophilic polymers have been synthesized using both techniques, used for the polymerization of a hydrophobic block in water. The transfer of controlling agent at the locus of the polymerization was challenging for SET-LRP in emulsion conditions leading to surfactant-free large particles. Nanometric latex particles were obtained via RAFT-mediated emulsion polymerization, with morphology change from sphere to fibers observed depending on the size of the hydrophobic segment, which were then able to be adsorbed onto cellulose nanofibrils (CNFs).The second route used conventional emulsion polymerization performed directly in presence of cellulose nanocrystals (CNCs) leading to Pickering-type stabilization of the polymer particles. Cellulose/particle interaction was provided thanks to the addition of PEG-based comonomer. Original organization emerged where CNCs were covered by several polymer particles