Polyélectrolyte

Définition

Un polyélectrolyte est un polymère dont les éléments constitutifs sont des électrolytes. Après dissolution dans l'eau, une macromolécule est créée dont les groupes latéraux portent une charge électrique. Selon la nature des groupes latéraux et le pH de la solution, il s'agit de charges positives ou négatives.

Les polyélectrolytes sont une sorte de macromolécules avec des groupes chargés dans des conditions de pH spécifiques.

Plusieurs polyélectrolytes :

Représentation de la structure chimique de certains polyélectrolytes. Les polyélectrolytes naturels et synthétiques sont fabriqués à grande échelle. Les polyélectrolytes naturels courants sont la pectine (acide polygalacturonique), l'alginate (acide alginique), la carboxyméthylcellulose et les polypeptides. Des exemples de polyélectrolytes synthétiques courants sont l'acide polyacrylique, le sulfonate de polystyrène, la polyallylamine, la carboxyméthylcellulose et leurs sels.

Explications

Les polyélectrolytes sont des polymères avec des groupes de dissociation dans leurs unités de répétition. Ils peuvent être divisés en polycations et polyanions et polysels. Comme les électrolytes ordinaires (acides, bases et sels), ils se dissocient dans les solutions aqueuses (eau) et portent une ou plusieurs charges selon la valeur du pH. Ainsi, les propriétés des polyélectrolytes sont similaires à celles des électrolytes et des polymères.

Les sels, c'est-à-dire les produits d'un polyacides (polyanions) avec une base monomérique et vice versa sont appelés polysels. Comme les sels ordinaires, leurs solutions sont électriquement conductrices et comme les polymères, leur viscosité dépend fortement du poids moléculaire et de la concentration en polymère.

Les polyélectrolytes sont des macromolécules qui, lorsqu'elles sont dissoutes dans un solvant polaire comme l'eau, ont un (grand) nombre de groupes chargés qui leur sont liés de manière covalente. En général, les polyélectrolytes peuvent avoir divers types de tels groupes.

Exemple de polyélectrolyte fort et faible :

Un polyélectrolyte "fort" est celui qui se dissocie complètement en solution pour les valeurs de pH les plus raisonnables. Un polyélectrolyte "faible", en revanche, a une constante de dissociation (pKa ou pKb) comprise entre ~ 2 et ~ 10, ce qui implique qu'il sera partiellement dissocié à un pH intermédiaire.

Les polyélectrolytes homogènes n'ont qu'un seul type de groupe chargé, par exemple, uniquement des groupes carboxylate. Si des groupes négatifs (anioniques) et positifs (cationiques) existent, nous appelons une telle molécule un polyampholyte.

Les structures auto-assemblées, telles que les micelles linéaires ou les assemblages de protéines linéaires, ont également souvent de nombreux groupes chargés; ces structures peuvent avoir des propriétés très proches de celles des polyélectrolytes.

Intérêt des polyélectrolytes

Les matériaux polymères, qui comprennent les plastiques, les tissus et la grande majorité des substances biologiques, sont abondants dans la société moderne. À l'échelle moléculaire, ces matériaux sont construits à partir de l'interconnexion de sous-unités chimiques similaires pour former des macromolécules en forme de chaîne.

Les communautés médicales, électrochimiques, synthétiques et des sciences des matériaux se sont de plus en plus tournées vers les polyélectrolytes, un sous-ensemble de polymères à charge électrique, en partie à cause de leur capacité à se séparer spontanément et réversiblement (complexe) en solution aqueuse.

Cette séparation entropique et électrostatique peut produire des nanoparticules bien définies, des gels dynamiques et d'autres matériaux utiles. Ces matériaux sont appelés complexes de polyélectrolytes (PEC) et ont formé la base de technologies de micelles à noyau complexe qui s'avèrent prometteuses en tant que véhicules d'administration de médicaments à l'échelle nanométrique pour le traitement du cancer, et dont on soupçonne depuis longtemps qu'ils jouent un rôle dans l'origine chimique de la vie.

Propriétés

Les propriétés spéciales des polyélectrolytes, par rapport aux polymères non chargés, sont leur excellente solubilité dans l'eau, leur propension à gonfler et à lier de grandes quantités d'eau et leur capacité à interagir fortement avec des surfaces et des macromolécules de charge opposée. En raison de ces caractéristiques, ils sont largement utilisés comme modificateurs de rhéologie et de surface.

Ces propriétés typiques des polyélectrolytes sont intimement liées aux fortes interactions électrostatiques dans les solutions de polyélectrolytes et, par conséquent, sont sensibles au pH de la solution et à la quantité et au type d'électrolytes présents dans la solution.

Effets

Le premier est l'effet électrostatique attribué à la nature du polyélectrolyte, l'équilibre complexant étant influencé à la fois par le degré de dissociation du polyacide et par la concentration en sel ajouté.

Les polyélectrolytes en solution acquièrent des charges par adsorption d'ions ou par dissociation de groupes de surface. Les équilibres d'échange de protons sont particulièrement importants. Pour les macromolécules, il existe un nombre limité de groupes fonctionnels différents qui sont généralement impliqués dans les équilibres d'échange de protons.

Complexes polyélectrolytes

Les complexes de polyélectrolytes (PEC) sont une classe sophistiquée et dynamique de matériaux pertinents pour de nombreux domaines concernant les systèmes vivants. Ces phases sont créées par un processus d'auto-assemblage basé sur l'entropie via des interactions subtiles avec des contre-ions et des solvants aqueux, accédant à un large éventail d'états allant du solide au liquide.

L'incorporation de domaines polymères chargés dans des copolymères à blocs facilite l'assemblage de nanoparticules de micelles à noyau complexe avec une adaptabilité inhabituelle. Ces particules sont donc des véhicules de délivrance de médicaments extrêmement prometteurs, avec la possibilité d'une personnalisation étendue du déclencheur de libération, en ciblant la fonctionnalité et les caractéristiques structurelles.

Les polyélectrolytes sont des matériaux macromoléculaires, qui ont de multiples groupes fonctionnels ionisables ayant différents poids moléculaires et compositions chimiques. La charge sur les macromolécules est créée en raison de la dissociation partielle ou complète des complexes polyélectrolytes dans les solutions aqueuses.

En solution, des polyélectrolytes chargés de manière opposée sont mélangés simultanément pour former des complexes polyélectrolytes. L'électroneutralité des polyélectrolytes en solution est maintenue par la neutralisation de la charge d'une unité répétitive par une charge opposée. Les unités répétitives, par exemple, les électrolytes chargés positivement sont accompagnés des plus petits ions de charge négative.

La formation de complexes polyélectrolytes (PEC) représente un principe simple mais très intéressant avec une importance significative dans la livraison de protéines. Il est connu que les nanoparticules à base de polymères conventionnelles qui sont utilisées pour la délivrance de protéines sont couramment fabriquées via l'utilisation d'une évaporation de solvant, d'une émulsion, d'une dispersion ou d'une polymérisation de monomères dans la microémulsion en phase inverse.

Le processus nécessite très souvent l'utilisation de solvants organiques potentiellement toxiques, de chaleur, d'agitation vigoureuse ou de produits chimiques qui pourraient compromettre la stabilité et la biocompatibilité des produits finaux.

Cependant, le processus de fabrication du PEC de taille nanométrique est facile et représente aujourd'hui une alternative attrayante aux formulations nanoparticulaires conventionnelles, ce qui ressort de l'explosion récente de la littérature sur l'utilisation du PEC dans l'administration de protéines.

Des complexes de polyélectrolytes se forment lorsque des polymères de charges opposées (polyanions contenant des charges négatives et polycations contenant des charges positives) sont mélangés en solution, qui est généralement aqueuse. Les charges sur les polycations et les polyanions s'attirent de sorte que les polymères sont liés électrostatiquement, formant une phase séparée du reste de la solution.

Complexation des polyélectrolytes

La complexation des polyélectrolytes est entraînée par des interactions associatives entre des polyélectrolytes chargés de manière opposée, entraînant la formation d'une phase macroscopique polymère dense et d'une phase polymère diluée avec des applications dans les revêtements, les adhésifs et les membranes de purification.

Au-delà de la séparation de phases à grande échelle, la synthèse de polymères de précision a permis le développement de micelles et d'hydrogels auto-assemblés à base de complexes polyélectrolytes (PEC) avec des applications en biotechnologie.

Schéma de la complexation de polyélectrolytes :

Illustration schématique de la complexation des polyélectrolytes comme moyen de traiter les surfaces cellulosiques avec des combinaisons de polyélectrolytes ayant une charge opposée

Fait intéressant, il a été suggéré que des mécanismes similaires à la complexation des polyélectrolytes entraînent la formation de condensats biologiques qui jouent un rôle indispensable dans la biogenèse cellulaire. Les voies de formation et la fonctionnalité de ces matériaux complexes dépendent des propriétés physiques qui sont intégrées dans la structure du polymère et de la conformation physique qui en résulte dans la phase diluée et dense.

Les techniques de diffusion ont permis une étude in situ des relations structure-fonction dans les matériaux PEC qui peuvent répondre à des questions biophysiques non résolues dans les processus cellulaires et catalyser le développement de nouveaux matériaux pour diverses applications.

⭐ Voir aussi l'auto-assemblage des polyélectrolytes.

Applications

Les polyélectrolytes présentent de nombreuses applications dans des domaines tels que le traitement de l'eau en tant qu'agents de floculation, dans les boues céramiques en tant qu'agents dispersants et dans les mélanges de béton en tant que superplastifiants. De plus, de nombreux shampooings, savons et cosmétiques contiennent des polyélectrolytes.

Certains polyélectrolytes sont également ajoutés aux produits alimentaires, par exemple en tant que revêtements alimentaires et agents de démoulage. Quelques exemples de polyélectrolytes sont la pectine (acide polygalacturonique), les alginates (acide alginique) et la carboxyméthylcellulose, dont la dernière est d'origine naturelle.

Les polyélectrolytes sont solubles dans l'eau, mais lorsqu'une réticulation est créée dans les polyélectrolytes, ils ne sont pas dissous dans l'eau.

Les polyélectrolytes réticulés gonflent dans l'eau et fonctionnent comme des absorbeurs d'eau et sont connus sous le nom d'hydrogels ou de polymères superabsorbants lorsqu'ils sont légèrement réticulés. Les superabsorbants peuvent absorber de l'eau jusqu'à 500 fois leur poids et 30 à 60 fois leur propre volume.

Les vastes applications des complexes de polyélectrolytes et de leurs dérivés sont liées par leur dépendance à l'attribut fondamental de ces complexes : l'organisation spontanée et réversible de l'espace et de la matière.

Bien que la capacité à créer un ordre chimique et spatial dans certaines conditions ne soit pas unique aux complexes de polyélectrolytes, peu d'autres technologies la possèdent avec une telle robustesse et polyvalence dans des conditions bénignes.

Cet exploit est intimement lié aux changements d'entropie locaux, et donc les interactions thermodynamiques subtiles de la complexation des polyélectrolytes doivent être bien comprises afin d'étendre notre capacité à manipuler l'action à l'échelle nanométrique et à développer les technologies qui en découlent.

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