4.1. Introduction
L’objectif de cette partie était d’utiliser des particules biodégradables composées de poly (ε-caprolactone) de haute masse molaire stabilisées par un copolymère à blocs polycaprolactone-bloc-poly(éthylène glycol) PCL-b-PEG pour stabiliser des émulsions huile-dans-eau.
On a donc testé l’efficacité de stabilisation de la polycaprolactone (Mn = 80000 g/mole) en utilisant plusieurs copolymères à blocs avec des degrés de polymérisation différents pour la partie polycaprolactone (DpCaprolactone = 25-100), la partie polyéthylène glycol (Mn = 5000 g/mole, nOE = 113) étant constante.
Ce type de copolymères à blocs a déjà été testé comme stabilisant lors des travaux déjà publiés au sein du laboratoire (Chausson et al. 2008) où des copolymères à blocs de type PCL-b-PEG avec un degré de polymérisation de la partie PCL allant de 10 à 40 ont été utilisés avec succès pour stabiliser des suspensions de particules de polycaprolactone. Hormis le copolymère PCL(10)-b-PEG(113) soluble dans l’eau, les autres copolymères avec nCL > 20 sont insolubles dans l’eau.
Cependant le procédé de nanoprécipitation utilisé permettait d’obtenir des suspensions de particules dont la concentration ne dépassait pas 0.6% (m/v). Ces faibles concentrations en particules étaient insuffisantes pour stabiliser des émulsions concentrées.
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L’enjeu était donc de produire des particules de polycaprolactone de l’ordre de 150-200 nm avec un indice de polydispersité inférieur à 0.1 (PdI < 0.1) :
sans l’ajout d’aucun autre tensioactif classique,
en suspension suffisamment concentrée afin de pouvoir les utiliser pour stabiliser des émulsions de Pickering.
On a donc procédé à une modification du procédé de nanoprécipitation classique (Fessi et coll. Brevet Français 1986, Brevet Européen 1987, Brevet US 1992) afin de concentrer au maximum ces suspensions en particules en conservant une distribution granulométrique satisfaisante.
La deuxième étape de ce travail était de stabiliser des émulsions de type huile-dans-eau en utilisant ces particules, d’étudier les paramètres de formulation régissant la taille des émulsions et leur stabilité dans le temps.
4.2. Partie expérimentale
4.1.1. Étude de formulation des particules de polycaprolactone stabilisées par un copolymère à blocs PCL-b-PEG.
4.1.1.1. Matériaux
Nous avons utilisé le copolymère à blocs PCL-b-PEG (MNMR = 12992 g/mole) dont la synthèse est la caractérisation sont décrites dans le chapitre 3 et la polycaprolactone (Mn 70,000-90,000 g/mole, Sigma-Aldrich). L’acétone (Sigma-Aldrich) et l’eau désionisée (purifiée au laboratoire, résistivité 18 MΩ.cm) ont été utilisés tout au long de l’étude.
4.1.1.2. Méthodes
4.1.1.2.1. Mesure de la taille des particules et du potentiel Zéta
Les mesures de tailles des nanoparticules formulées ont été effectuées par diffusion dynamique de la lumière à l’aide du Nanosizer ZS (Malvern instruments). Cette technique permet de mesurer des particules et des macromolécules entre 1 nm et 2 μm.
Le Nanosizer ZS permet également de déterminer le potentiel Zéta des particules obtenues.
La mobilité électrophorétique est obtenue en appliquant un champ électrique sur l’échantillon (grâce aux deux électrodes présentes sur la cellule) et en mesurant la vitesse des particules.
4.1.1.2.2. Microscopie électronique à transmission (MET) et à balayage (MEB)
Les particules ont été observées à la plateforme technique de l’Université de Lyon 1 (Centre Technologique des Microstructures CTμ). Les suspensions de particules ont été déposées soit sur des
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grilles de carbone pour être observées directement en MET (microscope PHILIPS CM120, 60-120 kV) ou sur des plots suivi d’une métallisation au Palladium-Or (BaltecMED020) pour être observées en MEB (microscope Hitachi S800 FEG, 1-30 kV).
4.1.1.3. Résultats et discussion
4.1.1.3.1. Formulation des particules par nanoprécipitation
Le procédé de nanoprécipitation a été choisi pour sa facilité de mise en œuvre. Cependant, les concentrations obtenues en nanoparticules étaient trop faibles pour espérer stabiliser des émulsions par la suite.
En effet, la méthode classique précédemment utilisée dans le laboratoire consistait concrètement à solubiliser 0.2 g de polycaprolactone de haute masse molaire (Mn = 70000-90000 g/mole, Sigma-Aldrich) avec 0.1 g de copolymère (rapport massique copolymère/polymère = 1/2) dans l’acétone (Laurylab, 25 mL). La nanoprécipitation (figure 2a) s’effectuait par introduction graduelle sous faible agitation de la phase organique dans la phase aqueuse (eau désionisée, 50 mL). L’élimination du solvant organique s’effectuait par la suite sous pression réduite (Figure 2b). La concentration en nanoparticules obtenues était de l’ordre de 0.6 % m/v.
Figure 2. Images du procédé de nanoprécipitation. (a) : montage pour le procédé de nanoprécipitation ; (b) : montage utilisé pour l’évaporation du solvant organique par évaporation sous pression réduite.
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4.1.1.3.2. Choix de la polycaprolactone comme constituant des particules
Nous avons choisi de la polycaprolactone comme polymère principal constituant les particules. La polycaprolactone est un polymère semi-cristallin avec une température de transition vitreuse de l’ordre de -60°C et une température de fusion voisine de +60°C. La masse molaire élevée du polymère permettait d’assurer non seulement la robustesse et la répétabilité du procédé, mais allongeait également la durée de dégradation de nos particules.
4.1.1.3.3. Choix du degré de polymérisation de la partie PEG du copolymère
Le polyéthylène glycol a été choisi pour constituer la partie hydrophile de nos particules. Ce polymère hydrosoluble et biocompatible a déjà été utilisé pour assurer la furtivité dans le corps de particules biodégradables encapsulant des substances actives. Les chaines de polyéthylène glycol constituant ces particules remplissaient plusieurs rôles dont : la formation d’une couronne entourant les particules assurant leur stabilité par répulsion stérique, mais aussi en augmentant le temps de circulation de ces nano-vecteurs en inhibant leur capture par le système réticuloendothélial.
Dans notre cas, les copolymères dont la chaine PEG était plus courte (Dp < 113) n’ont pas permis d’obtenir des particules stables. En utilisant le procédé précédemment décrit, une agrégation importante au cours du procédé de nanoprécipitation était observée accentuée pendant l’évaporation de l’acétone. Pour cela, tous les copolymères utilisés par la suite avait une longueur de chaine du polyéthylène glycol fixe (Dp = 113, Mn = 5000 g/mole) et seul le Dp de la polycaprolactone a été varié.
4.1.1.3.4. Choix du degré de polymérisation de la partie PCL du copolymère
Nous avons utilisé le copolymère di-blocs PCL-b-PEG comme stabilisant avec différents degrés de polymérisation de la partie polycaprolactone (Dp = 10-100).
Tableau 2. Tailles des particules obtenues en faisant varier le Dp de la polycaprolactone constituant le copolymère à blocs PCL-b-PEG.
Dp Polycaprolactone 10 25 40 65
Taille des particules (nm)1 Formation d’agrégats Formation d’agrégats 160-170 130 PdI2 > 1 > 1 0.06 0.07
1. Déterminée par diffusion de la lumière (Malvern®
NanoZS)
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Le Tableau 2 présente des résultats de la nanoprécipitation de la polycaprolactone en utilisant des copolymères di-blocs PCL-b-PEG de Dp différents. Les tailles des particules ont été déterminées en diffusion de la lumière en utilisant un NanosizerR, Malvern Instruments.
Il a été démontré que des copolymères avec un Dp < 25 sont inefficaces pour l’obtention de particules avec des distributions granulométriques étroites. En effet, des agrégats importants apparaissent en cours de nanoprécipitation et leur nombre s’accroit pendant l’évaporation du solvant organique.
Par contre, des copolymères di-blocs avec un Dp > 25 (40, 65, > 70), ont permis d’obtenir une meilleure stabilisation des particules de polycaprolactone.
Figure 3. Suspension de particules de polycaprolactone stabilisées par le copolymère à blocs PCL65 -b-PEG113.
4.1.1.3.5. Choix du rapport massique (RM) copolymère/polymère
Nous avons cherché à tester différents rapports massiques PCL-b-PEG/PCL afin de déterminer l’influence de ce paramètre sur la taille et la stabilité des nanoparticules obtenues.
Le but de cette étude est de définir la quantité minimale de copolymère à blocs nécessaire à la stabilisation des particules de polycaprolactone.
Pour ce faire, les rapports massiques PCL65-b-PEG113/Polycaprolactone (Mn = 80000 g/mole) allant de 0 à 2 ont été testés.
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4.1.1.3.6. Influence du rapport massique sur la taille des particules obtenues
La polycaprolactone formulée sans l’adjonction de copolymère stabilisant donne de grosses particules avec une agrégation importante suivie d’une précipitation au fond du récipient de conservation (Figure 4).
Figure 4. Agrégation des particules de polycaprolactone en l’absence de copolymère à blocs.
Une diminution de la taille des particules (Figure 5) a été obtenue en augmentant le rapport massique (RM) PCL65-b-PEG113/PCL de 0 à 2.
Figure 5. Influence du rapport massique RM (PCL-b-PEG/PCL) sur la taille des particules obtenues. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25