Les gels sont des matières présentes dans de nombreux produits du quotidien comme les shampoings, crèmes solaires et gélatine alimentaire parmi beaucoup d'autres. Ils sont formés par des mélanges dans lesquels de grandes quantités de liquide, généralement de l'eau, sont confinés dans un réseau flexible de chaînes polymères ou de particules colloïdales. Parmi les différents types de gels, tous avec des propriétés et des applications différentes, Les nanogels sont des particules de polymère réticulé de taille inférieure au micromètre qui peuvent transporter ou incorporer des macromolécules dans leur structure de réseau. Cette propriété, couplé avec leur caractère « doux » et la capacité d'introduire des caractéristiques sensibles aux stimuli, signifie qu'ils ont de nombreuses applications attrayantes, y compris dans les produits pharmaceutiques, en particulier l'administration de médicaments. Une nouvelle étude publiée dans Nanoscale par une équipe internationale de scientifiques de l'Université Queen Mary de Londres et de l'Institut Laue-Langiven fournit des informations manquantes importantes sur le comportement des nanogels aux interfaces, et peut conduire à une voie d'administration des médicaments plus patient et plus conviviale que les méthodes actuelles.
Les nanogels à base de NIPAM (N-isopropylacrylamide) sont considérés comme des matériaux « intelligents » ou « commutables » en raison du fait qu'ils subissent une transition de phase à une température critique proche de celle de la température physiologique - la température humaine normale de 37° C. Cela signifie qu'ils ont le potentiel en tant que véhicule intelligent d'administration de médicaments où la libération d'un agent actif ou d'un médicament peut être déclenchée par des changements de température. Cela peut être utilisé par simple contact, par exemple, dans les systèmes d'administration transdermique via notre peau. Le développement de tels systèmes à base de polymères nécessite une meilleure compréhension de la structure dynamique complexe de ces nanomatériaux et il existe actuellement un manque de données expérimentales sur la façon dont ces matériaux se comportent réellement aux interfaces.
Les neutrons sont l'outil idéal pour étudier la structure microscopique des nanogels, aidant ainsi à comprendre comment leurs propriétés peuvent être contrôlées. En particulier, La réflectométrie neutronique est la technique de choix pour l'étude des surfaces et des interfaces. En tant que tel, le réflectomètre ILL FIGARO a été choisi comme plateforme expérimentale principale pour cette étude.
L'équipe QMUL-ILL a utilisé des nanogels à base de NIPAM synthétisés avec différents pourcentages de MBA (N, N′-méthylènebisacrylamide) comme agent de réticulation dans la plage de 10 à 30 %, et les caractérise à température physiologique humaine. Des études structurelles détaillées de ces systèmes à l'échelle de la longueur moléculaire n'ont pas été tentées jusqu'à présent.
Dans ce travail, il a été montré qu'un grand changement de conformation des nanogels se produit à l'interface air/eau. Le modèle à trois couches s'est avéré décrire ces systèmes à la surface; une première couche affaissée densément tassée au contact de l'air, une deuxième couche de polymère solvaté et une troisième couche de chaînes polymères diffuses s'étendant dans la solution en masse. Cette étude fournit également la première preuve expérimentale de changements structurels des nanogels en fonction du degré de réticulation à l'interface air/eau.
Au fur et à mesure que le pourcentage d'agent de réticulation incorporé dans les nanogels augmentait, des matrices plus rigides ont été obtenues et la quantité de nanogels adsorbés a augmenté. La nature de non-équilibre de ces systèmes signifie qu'il n'est pas possible d'appliquer une analyse de tension superficielle normale pour estimer la quantité à une interface. Au lieu de cela, les mesures de réflectivité des neutrons avec variation de contraste isotopique fournissent un moyen sensible pour déterminer la quantité adsorbée. Il permet également de suivre les changements de la fraction volumique des nanogels à l'interface dans le temps à mesure que de plus en plus de matériau atteint l'interface. La technique met également en évidence les changements de conformation qui sont importants pour relier la structure à la fonction pour cette classe de matériaux. Parce que les interactions neutroniques varient de façon irrégulière avec les numéros atomiques (c'est-à-dire différents isotopes), la technique permet de mettre en évidence différents aspects de la structure par substitution isotrope. L'analyse des mesures enregistrées dans différents contrastes isotopiques conduit à la résolution de structures complexes.
FIGARO est un réflectomètre à neutrons de l'ILL optimisé pour les mesures à des surfaces liquides libres. C'est un instrument polyvalent, qui, au cours de ses six années depuis sa mise en service, a déjà généré plus de 70 publications évaluées par des pairs. Il a une configuration à haute intensité pour les mesures dynamiques lorsque les matériaux s'assemblent aux interfaces, qui a été exploité dans cette recherche, ainsi que la capacité d'enregistrer des données sur une large plage dynamique requise pour résoudre les structures interfaciales diffuses.
Dr Richard Campbell, le premier scientifique responsable de l'ILL sur l'instrument FIGARO, a déclaré:"Les mesures de tension de surface sont les plus sensibles au matériau assemblé juste à la surface de l'air tandis que le pouvoir de pénétration de la réflectivité des neutrons entraîne une sensibilité à des structures plus diffuses. Cette étude structurelle a été possible grâce à la capacité d'effectuer des mesures rapides de la dynamique assemblage interfacial ainsi que des mesures plus détaillées pour accéder aux structures diffuses présentes dans les nanogels en utilisant une configuration optimisée à haute intensité de FIGARO."
Les profils de réflectivité neutronique et de fraction volumique sont visibles sur la figure. Trois régions distinctes de la structure de surface par rapport à la profondeur sont représentées. Il y a une première couche au contact de l'air assez dense avec une fraction volumique d'environ 60% suivie de deux couches plus diffusantes. De façon intéressante, la teneur en eau de la première couche augmente avec la quantité de MBA - cela peut être attribué à une réduction de la capacité à changer la conformation (et donc à repousser l'eau du réseau polymère) des gels avec un degré de réticulation plus élevé.
Les données structurelles suggèrent également un réarrangement important de la conformation des particules de nanogel à l'interface au cours du processus d'adsorption, entraînant une déformation structurelle - le degré de déformation diminue avec l'augmentation du pourcentage d'agent de réticulation. Bien que les différences de conformations entre la masse et l'interface liquide/liquide pour les microgels à base de NIPAM aient déjà été émises, cette étude est la première à fournir des preuves expérimentales à l'appui.
Dr Ali Zarbakhsh, de l'École des sciences biologiques et chimiques de QMUL a déclaré :« Les données présentées fournissent des informations manquantes importantes sur le comportement des particules de gel aux interfaces. Nous pensons qu'elles peuvent conduire à la réalisation du rationnel, conception intelligente de nouveaux matériaux pour des applications spécifiques. Notre recherche, combiné avec les connaissances acquises à partir d'études supplémentaires sur les systèmes connexes à l'avenir, peut conduire à une plate-forme prometteuse qui présente les caractéristiques d'une voie d'administration des médicaments plus patiente et plus conviviale que les alternatives actuelles."
