22 septembre 2009
Des vésicules robustes avec des propriétés d’'encapsulation originales
D. Kopetzki, Y. Michina, T. Gustavsson, D. Carrière logo_tutelle 

Les molécules amphiphiles présentent une tête hydrophile et une chaîne hydrophobe. Sous certaines conditions, elles peuvent s'auto-organiser sous forme de vésicules sphériques creuses emprisonnant un cœur aqueux dans une bicouche de tensioactif, le diamètre de l'ensemble variant de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs microns. En choisissant soigneusement les conditions de croissance, les chercheurs du SIS2M montrent que l'on peut synthétiser des vésicules extrêmement robustes avec des propriétés d'encapsulation originales.

Ces systèmes sont largement étudiés pour de nombreuses problématiques fondamentales (mécanisme d'auto-assemblage, propriétés physiques de la membrane, etc...) dont la compréhension peut ouvrir de nouvelles perspectives (libération contrôlée de principes actifs, nano-réacteurs chimiques, conversion d'énergie, etc...). Usuellement, ces vésicules (dans ce cas aussi appelées "liposomes") sont formées à partir de phospholipides, constituants des membranes cellulaires. Il serait avantageux de les remplacer par des molécules aux propriétés semblables mais avec des fonctions chimiques plus facilement modifiables ou disponibles, telles que les vésicules formées à partir d'acides gras. Si l'on sait effectivement former de telles vésicules d'acides gras dans des conditions précises de température et de pH, il faut cependant trouver le moyen de les stabiliser : elles sont en effet très sensibles aux conditions externes et se détruisent aisément pour donner des micelles ou des cristaux.

 
Des vésicules robustes avec des propriétés d’'encapsulation originales

Les molécules d’'acide gras (terminaison C02-) et de tensioactif cationique (terminaison NH3+) s’'assemblent en vésicules (image par microscopie confocale, échelle = 10 µm) en phase gel (diffusion des rayons X aux grands angles) et qui "auto-encapsulent" les contre-ions libérés.

Une solution est d'étudier des vésicules en "phase gel", c'est-à-dire formées par un film de tensioactif à l'état solide. Des études antérieures menées au SIS2M ont en effet montré que dans un mélange d'acides gras et de tensioactifs cationiques, l'attraction mutuelle entre molécules de charge opposée permet la formation de vésicules en phase gel [1]. Cette observation vient d'être complétée en montrant qu'il existe une composition préférentielle en tensioactifs permettant de former des vésicules extrêmement robustes, indestructibles par dialyse, dilution, etc... [2] Dans ces conditions, celles-ci ne présentent pas la forme icosaédrique et poreuse, habituellement observée. L'absence de pores a alors permis d'encapsuler de manière durable des solutés ajoutés au cœur aqueux de la vésicule, avec des performances égales ou supérieures à celles des liposomes (Figure 2).

 
Des vésicules robustes avec des propriétés d’'encapsulation originales

A gauche : la concentration de HCl a été mesurée sélectivement à l’intérieur des vésicules par spectroscopie de fluorescence résolue en temps. Au centre : image par microscopie confocale de vésicules encapsulant des colorants spécifiques. A droite : par ajout de sel, les vésicules retrouvent leur forme icosaédrique naturelle ou subissent un flambage ("buckling").

Une autre conséquence originale et prometteuse de l'absence de pores est la possibilité "d'auto-encapsulation" : lors de l'association des deux molécules, leurs contre-ions respectifs (H+ et Cl-) sont relâchés dans la solution, dont une partie se retrouve enfermée dans la vésicule [3]. Après dialyse, il s'établit donc un gradient de pH et de sel exceptionnellement durable (plusieurs mois) entre l'intérieur et l'extérieur de la vésicule. Ceci a été démontré à l'aide d'expériences de fluorescence résolues en temps, en collaboration avec le Service de Physique des Atomes et des Molécules (IRAMIS-SPAM). Ce phénomène d'auto-encapsulation des ions permet d'avancer dans la compréhension de la morphologie des vésicules (vésicule aplatie, sphère, icosaèdre, polyèdre concave), mais ouvre aussi des perspectives originales reliées au contrôle de la taille [4]. En effet, pour une vésicule de taille L, le nombre d'ions inclus dans le volume interne (~ L3) de la vésicule est proportionnel au nombre de tensioactifs qui forment le feuillet interne (~ L2). La concentration d'ions dans les vésicules, et donc toutes les propriétés qui s'y rapportent, est donc inversement proportionnelle à la taille des vésicules (~ L-1).

En conclusion, nous avons mis au point des vésicules extrêmement robustes, imperméables et avec des propriétés d'encapsulation originales. Les mécanismes de stabilisation et "d'auto-encapsulation" sont très généraux, et ont déjà été étendus à des acides gras fonctionnalisés ou encore à d'autres molécules amphiphiles. En suivant cette démarche, ces propriétés ont commencé à être exploitées pour réaliser des vésicules avec des propriétés de plus en plus complexes, notamment dédiées à la conversion d'énergie.

 

Références :

[1] Self-assembly of regular hollow icosahedra in salt-free catanionic solutions
M. Dubois, B. Deme, T. Gulik-Krzywicki, J. C. Dedieu, C. Vautrin, S. Desert, E. Perez and T. Zemb, Nature, 411 (2001) 672.

[2] Ripening of catanionic aggregates upon dialysis
Y. Michina, D. Carrière, C. Mariet, M. Moskura, P. Berthault, L. Belloni and T. Zemb, Langmuir, 25 (2009) 698.

[3] Fatty acid-cationic surfactant vesicles: counter-ion self-encapsulation
D. Kopetzki, Y. Michina, T. Gustavsson and D. Carrière, Soft Matter, 2009.

[4] G. Béalle, D. Carrière, Size effects and buckling transitions in gel-phase fatty acid vesicles, soumis.

 

Maj : 02/05/2013 (1445)

 

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