Différents procédés de fabrication de capsules

Afin de construire une membrane, de nombreux processus chimiques, physico-chimiques ou physiques peuvent être utilisés Tableau I-3. Chacun possède des avantages et des inconvénients en fonction de l’application souhaitée.

Tableau I-3. Les trois grandes classes de procédés d'encapsulation.

Procédés chimiques Procédés physico-chimiques Procédés mécaniques

Polycondensation interfaciale Polymérisation interfaciale, en milieu dispersé (émulsion, miniémulsion, microsuspension…) Sol-gel Coacervation Layer-by-layer Microencapsulation assistée par CO2 microfluidique Evaporation de solvant Nébulisation/séchage (spray-drying) Mutliple nozzle-spraying Enrobage en lit fluidisé (spray-coating) Centrifugation Extrusion Un procédé chimique est basé sur la formation in situ de la membrane, il n’y a pas de préformation de matériau enrobant. Ce type de procédé va donc uniquement faire appel à des unités monomères. Cependant, les deux autres classes de procédés vont utiliser des agents enrobants préformés. Par conséquent, les caractéristiques des capsules obtenues (taille, distribution, taux d’encapsulation, condition et cinétique de libération…) vont dépendre de la méthode employée.

III.2.1. Procédés chimiques : Polycondensation interfaciale / Polymérisation

Développé par Arshady,[85] l’encapsulation par polycondensation interfaciale[86,87] est un procédé en deux étapes, mettant en jeu deux monomères au moins qui sont bifonctionnels (un est hydrosoluble, l’autre liposoluble). Elle est utilisée pour des couples dichlorure d’acide/diamine et diamine/diisocyanate.[88] Les parois de l’émulsion (directe ou inverse) sont consolidées par la formation d’une membrane séparant ces gouttes de la phase continue (Figure I-21). En effet, le polymère obtenu n’est pas soluble dans la phase organique, il se forme à l’interface des deux phases et précipite. Cependant, ce procédé peut être adapté pour permettre la production de capsules à partir d’émulsion directes ou inverses, rendant possible l’encapsulation de produits hydrophiles ou lipophiles. La polymérisation interfaciale est basée sur la polymérisation de monomères au sein des gouttelettes d’une émulsion, sous forme de polymérisation en dispersion ou en émulsion.[89,90] Lorsque la polymérisation a lieu dans la phase continue, avec piégeage soit du principe actif, soit d’une phase dispersée, elle est appelée polymérisation in situ. Dans ce cas, la structure sera donc celle d’une microsphère (Figure I-20.b) et non plus celle d’une microcapsule cœur-écorce.

Figure I-21. Principe de la polycondensation interfaciale. Les monomères (A et B) sont préalablement dissous dans les phases aqueuse et organique, puis se condensent à l'interface pour former une membrane primaire qui croît tant que les monomères peuvent diffuser.

III.2.2. Procédé physico-chimique : Coacervation

Ce processus physico-chimique consiste à provoquer la précipitation d’un ou plusieurs polymères (correspondant respectivement à une coacervation simple ou complexe), sur la surface de gouttes, par séparation de phases. L’une est riche en polymère et pauvre en solvant, c’est le coacervat, l’autre est pauvre en polymère et riche en solvant, le surnageant.[91] Pour cela, les conditions physico-chimiques, telles que le pH

ou la salinité, sont ajustées de façon à équilibrer les charges de deux polymères présentant des interactions attractives, le plus souvent électrostatiques. D’autres facteurs, comme la température, l’addition d’un non-solvant ou d’un polymère incompatible, peuvent également être utilisés. Cette méthode consiste donc en l’adsorption de gouttelettes de coacervat, à la surface eau-huile de la matière active dispersée, formant ainsi un enrobage continu, si les conditions de mouillage sont adéquates. Le plus souvent, il s’ensuit une réticulation pour consolider l’enrobage des macromolécules constitutives du coacervat et ainsi empêcher toute autre modification pouvant être provoquée par des changements de conditions physico-chimiques.[92] Les microcapsules (5 à 200 μm) ainsi obtenues ont un cœur liquide ou solide de type lipophile.

Historiquement, l’encapsulation par coacervation fut à l’origine du papier autocopiant sans carbone, la capsule se casse au moment de l’écriture pour libérer un colorant rendu visible par contact avec le papier contenant de l’argile acide. De nombreuses études portent également sur l’encapsulation résultant d’une coacervation complexe entre la gélatine et la gomme arabique. Aujourd’hui, cette technique est particulièrement bien indiquée, à l’échelle industrielle, pour l’encapsulation d’arômes, d’huiles de paraffines, de médicaments…

III.2.3. Procédé physico-chimique : Layer-by-layer

La technique du layer-by-layer (LBL) est fondée sur l’adsorption successive de polymères possédant des groupes fonctionnels complémentaires (donc des polyélectrolytes de charges alternées) autour d’une particule colloïdale (Figure I-22).[93,94]

Figure I-22. Principe de la technique LBL. Etape 1 : dépôt d'une première couche sur sphère colloïdale. Etape 2 : obtention d'un multicouche après dépôts de plusieurs polymères. Etape 3 : Dissolution du cœur sacrificiel.

Usuellement, ces assemblages se font par des interactions électrostatiques, mais de plus en plus d’études se tournent vers des liaisons hydrogènes.[95] Cependant, pour obtenir cette membrane multicouche, il faut avoir recours à un support, de différentes natures (nanoparticules organiques ou inorganiques, gouttes liquides, bulles d’air…) et de géométries variées (plan, sphère, tube…). Cette technique fut notamment employée sur des surfaces planes pour pouvoir créer des films avant d’utiliser des sphères dures.[96] Toutefois, des empilements LBL directement sur des émulsions, appelées émulsions multicouches, peuvent également produire des capsules. Cependant, si la particule servant de support n’est pas la substance à encapsuler une fois la capsule obtenue, l’élimination de ce support par dissolution du cœur sacrificiel est nécessaire afin de pouvoir la charger en molécules actives.[97] Il faudra donc trouver ensuite, les moyens physico-chimiques pour perméabiliser la membrane afin d’y introduire l’espèce active puis l’imperméabiliser pour maintenir l’espèce encapsulée.

III.2.4. Procédé physico-chimique : Evaporation de solvant

Ce procédé repose sur l’élimination de solvant, soit par évaporation, soit par extraction de la phase interne d’une émulsion sous agitation, afin de former des microsphères.[98,99] Initialement, le principe actif est dispersé dans une solution de polymère, lui-même dissous dans un solvant organique hydrophobe et volatil, tel que le dichlorométhane ou le chloroforme. Cette phase est ensuite émulsionnée dans un large volume de phase aqueuse contenant un agent tensioactif, comme l’alcool polyvinylique. Au final, une émulsion directe est obtenue et maintenue sous agitation. Le solvant va progressivement diffuser dans la phase continue afin de s’évaporer. Le polymère, se trouvant en mauvais solvant, précipite à l’interface eau-huile formant une membrane et donc des microsphères (Figure I-23).

Bien que simple et facile à mettre en œuvre, cette technique fait appel à des phénomènes physico-chimiques complexes étant donnée la présence de plusieurs interfaces.[86,100] De plus, les transferts de matière vont avoir une influence sur la structure finale des microsphères. De manière générale, les conditions opératoires (la méthode d’agitation, la concentration en tensioactif, la viscosité de la phase dispersante) vont également avoir une influence sur cette structure. Une dernière étape consiste à éliminer les résidus par des lavages successifs.Il est également possible d’encapsuler des composés hydrosolubles, en formant initialement une émulsion double de type

eau-dans-huile-dans-eau. La phase huileuse servant de barrière, le principe actif ne pourra alors diffuser vers la phase aqueuse externe.[101]

Figure I-23. Représentation schématique du principe du procédé d'encapsulation par évaporation de solvant. La solution a) représente le milieu dispersant, la b) est une solution organique de polymère contenant le principe actif dissout ou dispersé. L’émulsion est formée par agitation mécanique durant l’étape c). Le solvant est évaporé en d). Les microsphères solides sont ensuite obtenues en e).

D’autres méthodes sont également utilisées pour l’encapsulation de ce type de composés, comme des émulsions non aqueuses (en utilisant un solvant non volatil dans une huile minérale) ou en accélérant la précipitation du polymère par une forte dilution, limitant ainsi la diffusion du principe actif vers la phase continue. L’encapsulation par évaporation est très employée par l’industrie pharmaceutique car elle permet une libération prolongée et régulière.

III.2.5. Procédé mécanique : Enrobage en lit fluidisé

L’enrobage en lit fluidisé, aussi appelé spray-coating, permet d’enrober des matières actives constituées de particules solides afin d’obtenir des microcapsules et ce, de manière continue. Ce procédé nécessite trois étapes. Les particules à enrober sont introduites dans une chambre cylindrique verticale, à l’aide d’un courant d’air, afin d’être fluidisées. Le matériau enrobant est ensuite pulvérisé sur la suspension, à travers la buse de pulvérisation, pour former une membrane. Ce processus est répété plusieurs fois pour recouvrir entièrement la surface de particule. La dernière étape consiste à sécher ou bien à refroidir l’enrobage selon la nature du matériau enrobant. Ce procédé produit un mouvement cyclique des particules de la zone de pulvérisation à la zone de séchage, l’enrobage obtenu est donc homogène. En effet, le mouillage des particules, le contact gouttelette-particule, la coalescence et l’évaporation des gouttelettes se

produisent presque simultanément. Contrairement à la technique d’enrobage par nébulisation, la technologie des lits fluidisés va permettre d’obtenir des capsules de type réservoir. Cependant, son prix coûteux lui permet d’être employée uniquement dans les industries pharmaceutiques et cosmétiques afin d’être compensée par le prix élevé des produits finaux. III.2.6. Procédé mécanique : Nébulisation/séchage

Le principe d’encapsulation par nébulisation/séchage, également appelé spray-drying est basé sur l’atomisation, en flux continu, d’une solution liquide contenant un principe actif et d’un matériau enrobant. A l’aide d’air ou d’azote comprimé à travers une chambre de dessiccation tout en utilisant un courant d’air chaud, la formulation liquide initiale prend la forme de microparticules sèches. Le passage de la formulation, à travers la buse de nébulisation, permet d’obtenir un aérosol qui est ensuite mis au contact avec le flux d’air chaud. L’aérosol est alors séché rapidement pour former les capsules solides qui seront séparées de l’air chargé en solvant (Figure I-24).

Figure I-24. Représentation schématique d'un appareillage complet de nébulisation-séchage (système à cocourant). Extrait de [102]

Contrairement aux méthodes de coacervation et d’émulsification, le spray-drying est un processus rapide en une seule étape, puisqu’elle est continue, facilement transposable

du laboratoire à l’échelle industrielle et peu coûteuse. De plus, elle peut être utilisée sans solvants organiques et convient aussi bien aux matières actives thermostables qu’aux matières thermolabiles. Ce procédé est donc utilisé dans de nombreux secteurs industriels tels que les secteurs alimentaire et pharmaceutique, les industries chimiques. et biochimiques.