Electrospinning (électrofilage) :

L'électrofilage est une technique ancienne. Elle a été observée pour la première fois en 1897 par Rayleigh, étudiée en détail par Zeleny (1914) [1] sur l’électro-pulvérisation, et breveté par Formhals [2] en 1934. Le travail de Taylor (1969) [3] sur des jets actionnés électriquement a permis d’établir les bases des techniques d’électrospinning. Le terme «électrospinning» ou « électrofilage, dérivé de «spinning ou filage électrostatique», a été utilisé relativement récemment (vers 1994), mais son origine remonte à plus de 60 ans.

Depuis les années 1980 et surtout ces dernières années, l’électrospinning a gagné plus d’attention, probablement en raison d’une augmentation de l’intérêt pour le développement des nanotechnologies, puisque des fibres ultrafines ou des structures fibreuses réalisées à partir de divers polymères avec des diamètres pouvant descendre à moins d’un micromètre peuvent être facilement fabriqués grâce à cette technique.

L’Electrofilage, une technologie largement utilisée pour la formation de fibres qui utilise des forces électriques pour produire des fibres polymères, avec des diamètres allant de 2 nm à plusieurs micromètres, en utilisant des solutions de polymères naturels ou synthétiques, a connu une augmentation considérable de la recherche et de l'attention commerciale sur les dernières années [4-5]. Les fibres électrofilées ont été obtenues avec succès dans divers domaines, tels que la nanocatalyse, les échafaudages d’ingénierie tissulaire, vêtements de protection, filtration, application biomédicales et pharmaceutique, optique électronique, santé, biotechnologie, défense et sécurité, et ingénierie environnementale [6-12].

Les fibres filées offrent également plusieurs avantages, notamment un rapport surface/volume extrêmement élevé, une porosité ajustable, une malléabilité à se conformer à une grande variété de tailles et de formes et la capacité de contrôler la composition des fibres (propriétés et fonctionnalités) pour obtenir les résultats souhaités en fonction de celles-ci. Au cours de ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour exploiter cette technologie permettant de produire des fibres nano ou micrométriques, notamment pour la production d'échafaudages nanofibreux à partir d'une variété de polymères naturels et synthétiques pour l’ingénierie tissulaire [13] tels

que l’acide polylactique (PLA) [14], le polyuréthane (PU) [15], la fibroïne de soie (SF) [16-17], le collagène (Col) [18], l’acide hyaluronique (AH) [19], la cellulose [20] et le chitosan/collagène [21].

1.1.2 Procédé d’électrofilage :

L'électrofilage, est une approche unique utilisant des forces électrostatiques pour produire des fibres fines à partir de solutions de polymères ou de polymères fondues. Les fibres ainsi produites ont un diamètre très fin (du nanomètre au micromètre) et une surface plus grande que celles obtenues par les procédés de filage classiques. Une tension continue de l'ordre de plusieurs dizaines de kVs est nécessaire pour générer l'électrofilage. Diverses techniques telles que les précipitateurs électrostatiques et les pulvérisateurs de pesticides fonctionnent de la même manière que le procédé d’électrofilage, et ce procédé, principalement basé sur le principe que de fortes forces électriques répulsives mutuelles compensent les forces plus faibles de la tension superficielle dans le liquide polymère chargé [22]. Actuellement, il existe deux installations d’électrofilage standard ; verticale et horizontale. Avec l'expansion de cette technologie, plusieurs groupes de recherche ont mis au point des systèmes plus sophistiqués qui peuvent fabriquer des structures de fibres plus complexes d'une manière plus contrôlée et plus efficace [23-28]. L'électrofilage s'effectue à température ambiante dans des conditions atmosphériques.

La Figure 1 illustre le montage typique à la verticale d'un appareil d’électrofilage, montage que nous avons utilisé pour la mise au point de notre appareil d’électrofilage fait-maison. Fondamentalement, un système d'électrofilage se compose de trois composants principaux : une alimentation haute tension, une filière (p. ex., une aiguille métallique) et une plaque collectrice mise à la terre (habituellement un écran métallique, une plaque ou un mandrin rotatif) et utilise une source haute tension pour injecter une charge d’une certaine polarité dans une solution polymère ou un polymère fondu, qui est ensuite accélérée vers un collecteur à polarité opposée [29]. La plupart des polymères sont dissous dans certains solvants avant l'électrofilage, et lorsqu'ils sont complètement dissous, forment une solution de polymère. La solution polymère est ensuite introduite dans une seringue pour l'électrofilage.

Dans le procédé d'électrofilage, une solution de polymère maintenue par sa tension superficielle à l'extrémité de la pointe d’une aiguille est soumise à un champ électrique,

induisant une charge électrique à la surface du liquide à cause de ce champ électrique. Lorsque le champ électrique appliqué atteint une valeur critique ou seuil, les forces électriques répulsives surmontent les forces de tension superficielle. Finalement, un jet de la solution chargé est éjecté de la pointe du cône de Taylor et un fouettement instable et rapide du jet se produit dans l'espace entre la pointe de l’aiguille et le collecteur qui conduit à l'évaporation du solvant, laissant le polymère derrière [3,30]. Le jet n'est stable qu'à l'extrémité de la filière et l'instabilité commence à partir de là. Ainsi, le procédé d'électrofilage offre une technique simplifiée pour la formation des fibres.

Figure 1 : Représentation schématique du montage vertical d'un appareil d'électrofilage et le phénomène d’électrofilage.

1.1.3 Polymères utilisés dans l’électrofilage :

Il existe une large gamme de polymères utilisés dans l'électrofilage qui sont capables de former des fibres fines dans la gamme nano ou micrométrique, et qui sont utilisées pour des applications variées. Il a été rapporté que les fibres électrofilées provenaient de divers polymères synthétiques, de polymères naturels ou d'un mélange des deux en comprenant des fois des protéines [16], des acides nucléiques [31] et même des polysaccharides [32]. Au fil des années, plus de 200 polymères ont été électrofilés avec succès à partir de plusieurs polymères naturels et caractérisés en fonction de leurs applications [33].

1.1.3.1 Polymères naturels et synthétiques :

De nos jours, une grande variété de polymères sont électrofilés et les fibres de ces solutions de polymères ont été utilisées dans diverses applications telles que les échafaudages d'ingénierie tissulaire, les membranes de filtration et dans diverses applications biomédicales. Les polymères d’origine naturelle présentent normalement une meilleure biocompatibilité et une faible immunogénicité, comparés aux polymères synthétiques, lorsqu'ils sont utilisés dans des applications biomédicales. L'une des principales raisons d'utiliser des polymères naturels pour l'électrofilage est leur capacité inhérente à se lier aux cellules puisqu'ils sont porteurs de séquences protéiques spécifiques, telles que les RGD (arginine/glycine/acide aspartique) [34]. Au cours des dernières décennies, l'électrofilage de protéines provenant principalement du collagène, de la gélatine, de l'élastine et de la fibroïne de soie a été rapporté [35-40]. Les polymères naturels typiques incluent le collagène (Col), le chitosan, la gélatine, la caséine, l'acétate de cellulose (AC), la protéine de soie, la chitine, le fibrinogène, etc. Les échafaudages fabriqués à partir de polymères naturels promettent une meilleure fonctionnalité et application clinique. Toutefois, ce qui est préoccupant, c’est qu’une dénaturation partielle des polymères naturels a été signalée ces dernières années. Zeugolis et al. [41] ont montré pour la première fois que les propriétés du collagène, un biomatériau naturel phare, sont perdues lorsqu'il est transformé par électrofilage en fibres à partir de fluoroalcools. Le collagène est un biopolymère majeur, et est largement utilisé en raison de ses excellentes propriétés biologiques et physico-chimiques pour des applications en ingénierie tissulaire. En 2008, Yang et al. [42] ont démontré que 45% du collagène est apparemment perdu pendant l'électrofilage.

Outre la dénaturation des polymères naturels, la fabrication de certains polymères naturels pose également d'autres problèmes. La laminine est un composant de la membrane basale supportant la fixation, la croissance et la différenciation cellulaire in

vitro. Neal et al. [43] ont fabriqué des fibres de laminine I allant de 90 à 300 nm. Ils ont

découvert que pour l’électrofilage de la laminine, il n'est pas nécessaire d'utiliser un agent de réticulation et que les caractéristiques structurelles sont conservées, contrairement au collagène.

Les polymères synthétiques offrent souvent de nombreux avantages par rapport aux polymères naturels, car ils peuvent être adaptés pour donner un plus large éventail de

propriétés telles que les propriétés mécaniques nécessaires (viscoélasticité et résistance) et le taux ou vitesse de dégradation souhaité [44]. Les polymères synthétiques typiques utilisés dans les applications biomédicales sont les polyesters biodégradables hydrophobes, tels que le PGA, le PLA et le PCL, qui ont tous été électrofilés en fibre.

Jusqu'à ce jour, l’électrofilage a été utilisé pour la fabrication d’échafaudages nanofibreux à partir de nombreux polymères biodégradables tels que le PCL, PLA, PGA, PU, Acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) et le copolymère poly(L-lactique-co-ɛ-caprolactone)[P (LLA-CL)] pour l'ingénierie tissulaire, les greffes cardiaques, les pansements et l'ingénierie des substituts de vaisseaux sanguins [45-46].

1.1.3.2 Copolymères :

L'électrofilage avec des copolymères permet une amélioration des propriétés des matériaux polymères, y compris l'adaptation de la stabilité thermique, de la résistance mécanique et des propriétés de barrière, et a donc souvent été recherché pour des applications structurales au travers de méthodes telles que la copolymérisation, le mélange à l’état fondu et l'incorporation de charges ou substances inorganiques [47].

L'utilisation de copolymères est une alternative sérieuse pour générer de nouveaux matériaux avec des propriétés souhaitées et, lorsqu'ils sont correctement mis en œuvre, les performances des échafaudages électrofilés à base de copolymères peuvent être considérablement améliorées par rapport aux homopolymères. Les polyesters hydrophobes biodégradables ont généralement de bonnes propriétés mécaniques mais manquent d'affinité cellulaire pour l’ingénierie tissulaire, mais avec l'incorporation d'un segment polymère hydrophile approprié, l'affinité cellulaire augmente. Outre l'affinité cellulaire, les propriétés mécaniques, la morphologie, la structure, la taille et la distribution des pores, la biodégradabilité et d'autres propriétés physiques peuvent également être adaptées par l'utilisation de copolymères en électrofilage.

Ainsi, l'électrofilage à base de copolymères apparaît comme une option intéressante pour améliorer les propriétés des polymères pour les applications d'ingénierie tissulaire.