Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Films minces d'hydrogel“

Les films minces d’hydrogel sont des systèmes prometteurs pour des applications en ingénierie biomédicale (cartilage articulaire synthétique, lentilles de contact) ou optique (revêtements anti-buée) grâce à leur biocompatibilité, leur transparence et leurs propriétés lubrifiantes. Les propriétés frictionnelles de ces systèmes dans l’eau, cruciales pour leur utilisation, sont complexes car elles mettent en jeu plusieurs mécanismes physiques souvent couplés. La lubrification par un film d’eau, les écoulements poroélastiques dans le gel sous l’effet de gradients de pression et les interactions moléculaires à l’interface entre le gel et la surface glissante sont évoqués pour expliquer le frottement des gels.Dans ce travail de thèse, nous avons mesuré puis décrit le rôle des interactions moléculaires interfaciales dans le frottement des hydrogels dans l’eau. Pour cela, nous avons développé un dispositif expérimental permettant de supprimer à la fois les contributions poroélastiques et de lubrification par un film d’eau. En faisant glisser une lentille sphérique de silice en rotation sur un film de gel de polydiméthylacrylamide d’épaisseur micrométrique immergé dans l’eau, sous force normale et vitesse imposées, nous mesurons les forces de frottement et nous observons le contact gel/silice par interférométrie. En fonctionnalisant la silice par des silanes variés, nous mettons en évidence un effet important de la chimie de surface de la lentille de silice sur les forces de frottement mesurées et leur dépendance en vitesse de glissement, laquelle est variée sur trois ordres de grandeur. En régime transitoire, nous mettons en évidence un phénomène de vieillissement de l’interface lorsque la lentille est maintenue en contact avec le gel sur des temps longs avant d’initier le glissement. Pour discuter ces observations, nous proposons un modèle de frottement en régime stationnaire basé sur l’adsorption/désorption thermodynamique des chaînes polymères sur la surface glissante. Ce modèle rend compte des observations expérimentales à partir de paramètres moléculaires en accord avec la physicochimie des silices silanisées
Thin hydrogel films find applications in biomedical engineering (synthetic articular cartilage, contact lenses) or optics (anti-fog coatings) thanks to their biocompatibility, transparency, and lubricating properties. The frictional properties of these systems in water, which are crucial for their use, arise from the complex coupling of several physical mechanisms. Fluid film lubrication, poroelastic flows in the gel due to pressure gradients, and molecular interactions at the interface between the gel and the sliding surface are all involved in gel friction.In the present work, we provide a description of the role played by interfacial molecular interactions on friction of hydrogels in water. To this end, we built an experimental set up in which both poroelastic flows and water film lubrication are suppressed. By sliding a spherical silica lens with a rotative trajectory over a micrometer-thick polydimethylacrylamide gel film immersed in water, under imposed normal force and velocity, we measure the frictional forces and observe the gel/silica contact by interferometry. By functionalizing the silica with various silanes, we show an effect of surface chemistry of the silica lens on the measured friction forces and their dependence on sliding speed, over three decades in velocity. In transient regime, we demonstrate an ageing phenomenon of the interface when the lens is maintained in contact with the gel over long times before sliding initiation. We derive a model for steady state friction based on the thermodynamic adsorption/desorption of polymer chains on the sliding surface. This model successfully accounts for our experimental observations with a set of molecular parameters which agree with the physico-chemistry of our silanated systems

Les films d’hydrogel sont envisagés comme revêtements anti-buée sur les vitrages. En effet, ils peuvent retarder l’apparition de la buée en absorbant plusieurs fois leur volume en eau. Cependant, une fois gonflés, la question de leur résistance mécanique se pose. Nous nous intéressons ici aux transferts d’eau vers et au sein de films d’hydrogel hors équilibre dans deux situations. D’abord, lorsqu’ils sont secs puis soumis à un flux d’air humide sur un substrat refroidi, nous avons étudié leur cinétique de gonflement. Ensuite, nous avons caractérisé leur réponse mécanique en indentation et en frottement lorsque l’eau retenue par l’hydrogel draine au sein du contact. Dans ce but, des films micrométriques d’hydrogel modèles, de physico-chimie variée et contrôlée, sont réalisés. Des dispositifs expérimentaux ont été développés, dont les résultats sont modélisés en lien avec l’architecture des hydrogels et leur physico-chimie. Nous montrons comment l’hygroscopie du polymère, l’architecture et l’épaisseur des films contrôlent leur cinétique de gonflement dans un flux de vapeur. Nous établissons aussi que le frottement de films d’hydrogel a pour origine l’écoulement forcé de l’eau au sein du réseau perméable de polymère. Enfin, à forte indentation où la teneur en eau devient faible, nous mettons en évidence le rôle des transitions (vitreuse ou de type LCST) du polymère sur la réponse mécanique des films
Hydrogel films are proposed as anti-fog coatings on glazings. Indeed, they may delay mist formation by absorbing water up to several times their volume. However, their mechanical resistance in the swollen state remains an issue. In this work, we investigate water transport towards and within non-equilibrium hydrogel films in two situations. First, we have studied the swelling kinetics of the cooled films when submitted to a humid air flow. Second, we have characterized their indentation and frictional response in relation to the drainage of the poroelastic network which results from contact stresses. For this purpose, model micrometric hydrogel films, with a varied and controlled physical-chemistry, are prepared. Experimental set-ups have been developed and the results are modelled in relation with the architecture of hydrogels and their physical-chemistry. We show how the hygroscopy of the polymer, the architecture and the thickness of the films control their swelling kinetics in a vapor flux. We also demonstrate that the friction force on hydrogel films mostly originates in the flow of water forced within the permeable polymer network in the sliding contact. Finally, at large indentation depths where the water content becomes low enough, we highlight the role of the transitions (glass transition or LCST-type) of the polymer on the mechanical response of the films

La recherche dans le domaine des cristaux photoniques synthétiques progresse à grande vitesse. En parallèle, les progrès réalisés dans le domaine de la matière molle et des polymères permettent également des avancées considérables pour des dispositifs stimulables. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme permettant désynthétiser des nano- et microstructures d'hydrogel stimulables stables et à grandes amplitudes de déformation. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode CLAG (Cross-LinkingAnd Grafting) qui consiste en la réticulation et le greffage simultanés de chaînes de polymère sur le substrat. Nous avons exploité cette plateforme pour mettre au point des miroirs de Bragg stimulables à grande amplitude de décalage spectral, avec des multicouches alternéesd’hydrogels et des couches d’or ou d’oxyde de titane Nous avons également développé des cristaux photoniques bidimensionnels en utilisant des masques photolithographiques. De plus, l’hyperthermie plasmonique ou magnétique est envisagée pour induire la transition des films d’hydrogel. Enfin, nous avons montré que la plateforme d’hydrogels permet également de coupler la température avec d’autres stimuli: chimiques, mécaniques
Research in the field of synthetic photonic crystals has been advancing at high speed. In thedevelopment of this field, additional performances in terms of modularity and switchabilityusing soft matter and polymers provide unprecedented enhanced devices. In this thesis, wedeveloped a platform of stimuli-responsive nano- and microstructured polymer hydrogelsthat are surface-grafted to ensure chemical stability regardless of environmental change.This strategy is based on CLAG chemistry which consists in simultaneous Cross-Linking AndGrafting of polymer chains on the substrate. This platform is exploited to fabricate stimulableBragg mirrors with large amplitude of spectral shift. We also developed a strategy allowingus to design two-dimensional photonic cristals by using photolithographic masks. Finally, wedemonstrated that the hydrogel platform allows the coupling of temperature with otherstimuli: chemical, mechanical, light and electromagnetic field for plasmonic and magnetichyperthermia

Les films minces d'hydrogels que nous étudions sont des réseaux chimiques de polymères greffés par liaison covalente sur des substrats solides. Ces revêtements versatiles permettent le contrôle des propriétés interfaciales tel que les propriétés stimulables, le mouillage ou les propriétés mécaniques. Ici, nous nous intéressons aux films minces d'hydrogels stimulables (par la température, la lumière ou le champ électrique).La synthèse des films de gels greffés suit une stratégie simple basée sur la chimie click thiol-ène. Les films sont fabriqués en déposant les polymères stimulables fonctionnalisés par des groupes diène en présence de réticulants dithiols sur des surfaces modifiées thiol. Cette stratégie permet d'obtenir des films d'hydrogels sur une large gamme d'épaisseur avec les propriétés stimulables visées. Nous nous intéressons à la structure des films d'hydrogels greffés de poly(N-isopropylacrylamide) aux propriétés thermo-stimulables. Nous étudions l'effet du confinement et des contraintes dues au greffage sur la surface sur la transition de phase gonflement/dégonflement des gels avec deux approches : le gonflement unilatéral (perpendiculaire à la surface) par ellipsométrie et réflectivité de neutrons, et la topographie (dans le plan) de la surface libre du gel par AFM. Nous développons également de nouveaux films d'hydrogels avec des réseaux d'architectures ciblées. En s'inspirant de l'architecture des gels macroscopiques, nous élaborons diverses architectures : films de gels multicouches, films de réseaux interpénétrés et films de gels hybrides
Thin films of hydrogels we study are chemical polymer networks covalently grafted on solid substrates. These versatile coatings allow the control of various interfacial properties such as responsive properties, wetting or mechanical properties. Here, thin films of stimuli-responsive hydrogels (with temperature, light or electric field) are the point of interest. The surface-attached gel films are synthesized by following a straightforward strategy based on thiol-ene click chemistry. The formation of the films is achieved by adding bifunctional thiol molecules as cross-linkers to the ene-reactive polymers on thiol-modified surfaces. This strategy allows us to obtain hydrogel films with a wide range of thickness and with the desired properties. We study the structure of surface-attached poly(N-isopropylacrylamide) gel films which show thermo-responsive properties. We determine the effect of confinement and constraints due to the surface-attachment on the swelling/collapse phase transition of hydrogels with two approaches: the one-dimension swelling normal to the surface using ellipsometry and neutron reflectivity and the in-plane observation of the free surface of the gel using AFM. New and complex hydrogel films are also developed by targeting the architecture of the polymer networks. Inspired from macroscopic hydrogels architecture, we design various architectures: multilayer gel films, interpenetrating networks (IPN) gel films and hybrid gel films

Les films minces d'hydrogels que nous étudions sont des réseaux chimiques de polymères greffés par liaison covalente sur des substrats solides. Ces revêtements versatiles permettent le contrôle des propriétés interfaciales tel que les propriétés stimulables, le mouillage ou les propriétés mécaniques. Ici, nous nous intéressons aux films minces d'hydrogels stimulables (par la température, la lumière ou le champ électrique).La synthèse des films de gels greffés suit une stratégie simple basée sur la chimie click thiol-ène. Les films sont fabriqués en déposant les polymères stimulables fonctionnalisés par des groupes diène en présence de réticulants dithiols sur des surfaces modifiées thiol. Cette stratégie permet d'obtenir des films d'hydrogels sur une large gamme d'épaisseur avec les propriétés stimulables visées. Nous nous intéressons à la structure des films d'hydrogels greffés de poly(N-isopropylacrylamide) aux propriétés thermo-stimulables. Nous étudions l'effet du confinement et des contraintes dues au greffage sur la surface sur la transition de phase gonflement/dégonflement des gels avec deux approches : le gonflement unilatéral (perpendiculaire à la surface) par ellipsométrie et réflectivité de neutrons, et la topographie (dans le plan) de la surface libre du gel par AFM. Nous développons également de nouveaux films d'hydrogels avec des réseaux d'architectures ciblées. En s'inspirant de l'architecture des gels macroscopiques, nous élaborons diverses architectures : films de gels multicouches, films de réseaux interpénétrés et films de gels hybrides
Thin films of hydrogels we study are chemical polymer networks covalently grafted on solid substrates. These versatile coatings allow the control of various interfacial properties such as responsive properties, wetting or mechanical properties. Here, thin films of stimuli-responsive hydrogels (with temperature, light or electric field) are the point of interest. The surface-attached gel films are synthesized by following a straightforward strategy based on thiol-ene click chemistry. The formation of the films is achieved by adding bifunctional thiol molecules as cross-linkers to the ene-reactive polymers on thiol-modified surfaces. This strategy allows us to obtain hydrogel films with a wide range of thickness and with the desired properties. We study the structure of surface-attached poly(N-isopropylacrylamide) gel films which show thermo-responsive properties. We determine the effect of confinement and constraints due to the surface-attachment on the swelling/collapse phase transition of hydrogels with two approaches: the one-dimension swelling normal to the surface using ellipsometry and neutron reflectivity and the in-plane observation of the free surface of the gel using AFM. New and complex hydrogel films are also developed by targeting the architecture of the polymer networks. Inspired from macroscopic hydrogels architecture, we design various architectures: multilayer gel films, interpenetrating networks (IPN) gel films and hybrid gel films

Les revêtements d'hydrogel sont des réseaux de polymères transparents et hydrophiles capables d’abosrber plusieurs fois leur épaisseur en eau. Cependant, les contraintes induites par le gonflement du film peuvent entraîner un décollement préjudiciable de l'hydrogel ce qui peut limiter l’utilisation pratique des ces revêtements. Dans cette étude, nous proposons de décrire les mécanismes de décollement de films minces d’hydrogel en fonction de leur densité de greffage à l'interface film/substrat. Le but est de pouvoir contrôler et prédire la dégradation des revêtements hydrogel pendant le gonflement ou sous des contraintes de contact. Dans ce but, nous avons développé une méthodologie permettant de mesurer l'initiation et la propagation de la délamination induite par le gonflement de films minces d’hydrogel à partir de défauts d'interface préexistants bien contrôlés.Des films minces d'hydrogel de poly(diméthylacrylamide) (PDMA) attachés à la surface sont préparés sur des plaquettes de silicium à partir de la réticulation et du greffage simultanés (CLAG) de chaînes polymères fonctionnalisées par la chimie click thiol-ène. Cette stratégie permet de faire varier l'épaisseur du film (0.1 - 2 µm) et de contrôler le taux de gonflement du réseau, ici fixé à 2, tout en assurant une densité de réticulation homogène. Afin de faire varier la résistance de l'interface film/substrat, le substrat en silicium est greffé avec des mélanges de mercaptosilane (réactif) et de propylsilane (inerte) dans différentes proportions avant le dépôt du film mince. Alors que le mercaptosilane est capable de former des liaisons covalentes avec le réseau PDMA, le propylsilane ne réagit pas, ce qui permet de contrôler le taux de greffage du film mince d’hydrogel sur le substrat. Nous caractérisons la fraction de surface de mercaptosilane ainsi obtenue par des analyses XPS et TOF-SIMS. Par ailleurs, toujours à l’interface subtrat/film, des défauts linéaires bien contrôlés ayant une faible adhérence (largeur entre 10 et 100 µm) sont créés sur le substrat en passivant de façon localisée les groupes thiol réactifs par microlithographie. Ces défauts nucléent le décollement des films de façon bien localisée, ce qui permet ensuite de suivre la propagation de la décohésion à partir de ces défauts.Le décollement du film induit par le gonflement est réalisé sous un flux de vapeur constant assurant la saturation du film en eau. En observant le décollement progressif du film à partir des défauts linéaires préexistants, nous retrouvons un motif d’instabilité classique dit de fil de téléphone et nous montrons que le décollement résulte de contraintes de gonflement localisées proche de la ligne de décollement. Nous mesurons la vitesse de propagation du décollement dans la zone où le film est greffé sur le substrat et nous observons qu’elle augmente de deux ordres de grandeur lorsque la quantité de propylsilane dans le mélange de silanes réactifs passe de 0 à 90 %, c’est-à-dire lorsque le taux de greffage du film décroit. Un seuil d'épaisseur pour le décollement est également observé, les films pouvant se décoller étant d’autant plus minces que le taux de greffage du film ets faible. Les mesures de ce seuil sont discutées à partir d'un argument simple de mécanique de la rupture qui permet de rendre compte semi quantitativement de nos mesures
Hydrogel coatings are transparent and hydrophilic polymer networks that absorb a lot of water and can be suitable candidates for anti-mist coatings. However, swelling-induced stresses within the film can result in detrimental debonding of hydrogel and may fail. In this study, these debonding processes are investigated in the relation to the grafting density at the film/substrate interface, so as to control and predict the failure of the coatings during swelling or under contact stresses. For that purpose, we have developed a methodology consisting in monitoring the initiation and the propagation of swelling-induced delamination from well-controlled preexisting interface defects.Surface-attached poly(dimethylacrylamide) (PDMA) hydrogel thin films are prepared on silicon wafers from the simultaneous Cross-Linking And Grafting (CLAG) of functionalized polymer chains by thiol-ene click chemistry. This strategy allows to tune the film thickness (0.1-2 µm) while ensuring a homogeneous crosslinking density. In order to vary the strength of the film/substrate interface, the silicon wafer is grafted by mixing reactive mercaptosilane and unreactive propylsilane in various proportions prior to the formation of the hydrogel film. We characterize the mercaptosilane surface fraction thus obtained by XPS and TOF-SIMS analyses. Well-controlled line defects (width between 2 and 100 µm) are also created to nucleate delamination of the hydrogel from the substrate.Swelling-induced debonding of the film is achieved under a constant vapor flow ensuring water saturation. Optical observations show the progressive debonding of the film from the pre-existing line defects under the action of localized swelling stresses. We obtain a delamination pattern of typical so-called telephone cord instability. We measure the debonding propagation velocity where the hydrogel is grafted to the substrate. The debonding rate is found to decrease over two orders of magnitude when the amount of mercaptosilane in the reactive silane mixture is increased from 10% to 100% while increasing the covalent bonds between hydrogel and substrate. A threshold thickness for debonding is also observed. This threshold thickness increases with the amount of mercaptosilane used to graft the substrate. We derived quantitative values of the interface fracture energy from the measured thickness threshold with a simple fracture mechanics model