Détermination des propriétés viscoélastiques de films multicouches de polyélectrolytes par sonde colloïdale au microscope de force atomique.

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt « LBL » permet d’élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l’effet de la réticulation chimique sur l’élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu’à une valeur plateau de l’ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l’adhésion, la viabilité et l’étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d’autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d’une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L’utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL et d’un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L’étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d’épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l’analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s’expliquer par une plus grande affinité de la PLL pour le PSS que pour le HA. L’étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d’Young et le dopage réel du film en PSS.Recent studies have shown a direct relation between the cellular behavior (adhesion and proliferation) and the viscoelastic properties of the substrate on which living cells were deposited. The “LBL” deposit technique permits different types of polyelectrolyte multilayer films with controlled thickness and important potential applications in the biomedical field to be built up. The goal of my work was the development of functionalized films with controlled properties in terms of biocompatibility, of viscoelasticity and of rigidity. The technique of nanoindentation at the atomic force microscope enabled us to characterize multilayer films elaborated with two different polyelectrolytes. The results showed that the exponentially growing films such as (PLL/HA)24 and (CHI/HA)24 are characterized by Young modulus of less than 10-20 kPa compared to linearly growing films such as (PSS/PLL)24 and (PSS/PAH)210 for which it amounts respectively to 50 kPa and more than 500 kPa. We also measured the effect of the chemical cross-linking on the elasticity of (PLL/HA)24 films. The Young modulus of (PLL/HA)24 films increases with the concentration in cross-linking agent, up to a plateau value of about 400 kPa. These results could be to correlated with adhesion, viability and cellular spreading of chondrocytes. We then studied films composed of two superposed slabs, each formed with two different pairs of polyelectrolytes: a thick and soft slab, (PLL/HA)24, and a very thin and hard slab, (PAH/PSS)n. Our measurements showed that the rigidity of the (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS increases with the number of deposited pairs. It increases thus from some kPa for n = 0 up to more than 700 kPa for n = 24. This study was extended to others systems having the same foundation, i.e. (PLL/HA)24, but covered with different second slabs: (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 and (PSS/PAH)6. This study revealed a great variability of the rigidity of the systems according to the chemical nature of the second slab. The use of several viscoelastic models to interpret the force curves measured on films covered by (PSS/PAH) allowed showing that those can be compared to a mechanical system comprising at spring, two Kelvin units (spring and dashpot in parallel) and a dashpot associated in series. Finally we studied films made up of PLL and of a mixture of polyanions [HAx/PSS1-x] where x represents the molar fraction in monomers in the solution of polyanions. The study by ellipsometry revealed the existence of a minimum thickness of these films for respective molar fractions in HA and PSS of 0.9 and 0.1. In addition, the analysis of these films by infrared spectroscopy showed that they are strongly doped in PSS, even for very weak concentrations of this polyelectrolyte in solution. This can be explained by a greater affinity of the PLL for the PSS than for the HA. The study of the mechanical properties of these films by nanoindentation showed a correlation between the Young modulus and the actual doping in PSS of the film