Poly(N-isopropylacrylamide) - Définition
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Applications en sciences du vivant
Le principal domaine d'application du PNIPAM est celui du vivant et de la recherche biomédicale : les chercheurs ont rapidement réalisé l'intérêt que représentait sa transition réversible, d'autant plus à une température proche de celle du corps humain. Les principaux travaux concernent les tests immunologiques (notamment la précipitation et la séparation), l'administration de médicaments (drug delivery), la culture de cellules et la conjugaison avec toutes sortes d'objets biologiques, tels que des protéines.
Tests immunologiques
En 1987, K. Auditore-Hargreaves, N. Monji et al. rapportent l'utilisation de PNIPAM comme phase dans un immuno-test. Les anticorps, greffés sur des chaînes de PNIPAM, réagissent avec les antigènes ; un deuxième anticorps fluorescent permet la visualisation ; en augmentant ensuite la température, la « précipitation thermique » a lieu : des particules de PNIPAM non soluble se forment et concentrent la fluorescence, qui est proportionnelle à la quantité d'antigènes en solution. Les anticorps testés n'ont pas d'influence sur la LCST. Cette technique a ensuite été étendue à un immuno-test sur membrane et la formulation du polymère a été perfectionnée. L'avantage des tests immunologiques en solution par rapport aux tests sur supports est qu'il n'y a pas de problème de limitation de la diffusion. La précipitation par affinité repose sur des bioconjugués thermosensibles ; les objets biologiques utilisés sont généralement des anticorps, plus rarement des protéines. Une fois la réaction spécifique effectuée, le polymère est stimulé afin d'entraîner la précipitation ; il peut s'agir de PNIPAM ou de copolymères de NIPAM. Par ailleurs, le PNIPAM est aussi utilisé pour la concentration de virus et la purification d'anticorps.
Administration de médicaments
La transition du PNIPAM autour de 32 °C permet de piéger des solutés dans des capsules de PNIPAM, progressivement activées par la température du corps humain. Des études in vivo d'administration d'héparine, un anticoagulant, sont réalisées dès 1995. Lin et al. ont également conçu un pansement pour blessures utilisant le PNIPAM pour l'administration de médicament. Les résultats prometteurs d'encapsulation et de libération de solutés ont suscité des études sur les effets de l'environnement (éventuellement physiologique) sur les propriétés du PNIPAM et sa LCST : les sels ont une tendance générale à diminuer la LCST ; chaque surfactant a une influence particulière. La salive et les sécrétions gastro-intestinales ont un effet limité sur la LCST du PNIPAM, rendant ainsi possible son utilisation pour l'ingestion orale de médicaments. L'influence des sels sur la LCST a d'ailleurs été mise à profit pour concevoir un composé incluant des sels qui retardent la distribution de médicament dans le milieu.
Culture de cellules
Les cellules ont une affinité particulière pour les surfaces hydrophobes ; à l'inverse, les surfaces hydrophiles ont tendance à les repousser. Il est donc intéressant d'utiliser les surfaces de PNIPAM comme substrat de culture cellulaire. Les conditions environnementales nécessaires à la culture de cellules humaines, notamment la température de 37 °C, sont compatibles avec l'état replié du PNIPAM ; par ailleurs, la couche chimique de PNIPAM sert d'interface souple entre la surface et les cellules. Celles-ci s'accrochent sur le PNIPAM hydrophobe et y prolifèrent ; quand la culture arrive à terme, une baisse de la température sous la LCST du PNIPAM entraîne le décrochage des cellules ; cette libération douce permet de s'affranchir des méthodes de digestion enzymatique à base de trypsine. Les cellules cultivées sur PNIPAM conservent des caractéristiques fonctionnelles très proches de celles des cellules originales ; elles peuvent également conserver des phénotypes différenciés ; au contraire, l'utilisation de trypsine peut endommager les cellules ou perturber leur métabolisme. Il est même possible de dessiner des motifs pour réaliser une coculture de deux types de cellules. Le NIPAM peut être associé à un ou plusieurs autres monomères pour former des substrats de culture copolymères, parfois recouverts d'une couche intermédiaire de protéines. Okano et al. ont par ailleurs démontré que le métabolisme des cellules a une influence sur leur détachement.
Conjugaisons
Le PNIPAM est conjugué avec de multiples objets biologiques, pour leur conférer un caractère thermosensible. C'est par exemple le cas de l'ADN, dont le conjugué est notamment utilisé pour la séparation d'enzymes ; des copolymères de NIPAM sont également utilisés comme vecteurs d'ADN. Les enzymes comme la trypsine peuvent, elles aussi, être conjuguées à du PNIPAM, tout en conservant une grande partie de leur activité. À l'inverse, Sigolaeva et al. ont montré qu'une enzyme incluse de façon covalente dans la matrice d'un gel de PNIPAM voit son activité réduite au-delà de la LCST.
Le PNIPAM peut aussi être conjugué à des protéines qui n'ont généralement pas d'influence sur la LCST. Le PNIPAM a ainsi été fixé à des macromolécules de streptavidine près du site de reconnaissance de la biotine ; la reconnaissance a lieu normalement sous la LCST ; au-dessus de la LCST, le PNIPAM s'effondre et bloque la formation du lien streptavidine-biotine. La même équipe a plus tard réussi à utiliser le PNIPAM pour contrôler thermiquement l'accrochage et le décrochage de biotine sur la streptavidine.
Purification de protéines
Le PNIPAM peut être utilisé comme support d'adsorption de protéines, de la même manière que pour les cellules ; cela permet d'envisager des applications en préparation d'échantillons ou en purification de protéines, notamment en protéomique. Plusieurs équipes ont étudié l'accrochage de protéines fluorescentes sur du PNIPAM ou des copolymères de NIPAM, y compris sur des surfaces mobiles.
Autres usages
Le PNIPAM est utilisé pour des travaux plus originaux, tel que dans le domaine de la neurochirurgie intravasculaire : le PNIPAM a ainsi été étudié in vivo pour obstruer des vaisseaux sanguins et générer une embolie. Matsubara et al. ont utilisé ses propriétés thermiques pour préconcentrer du phosphate et le doser optiquement. La contraction d'un gel de PNIPAM au-dessus de la LCST permet de bloquer la diffusion d'espèces dans ce gel, comme le glucose ou l'insuline. Par ailleurs, le PNIPAM a ouvert la voie de la séparation par chromatographie thermosensible, liquide ou par exclusion de taille.
