Etude de l’effet du processus de greffage sur les propriétés intrinsèques :

En utilisant la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la chromatographie d’exclusion stérique (SEC), nous avons étudié les changements possibles des propriétés intrinsèques du polymère PCL (température de fusion (Tm) et degré de cristallinité (Xc) pour la DSC, et Masse molaire moyenne en nombre (Mn) et indice de polydispersité (Đ)

pour la SEC).

Nous avons reproduit les 4 différents procédés de greffage (à savoir ozonation, chauffage à 45 °C et irradiation sous UV) sans introduire le monomère NaSS pour simuler les étapes de greffage, afin d'étudier l'effet de ces étapes sur les propriétés intrinsèques du PCL indépendamment de la présence du greffage polyNaSS lui-même.

Le processus de greffage du polyNaSS, fait intervenir tout un ensemble de traitements nécessaires à ce dernier ; par exemple l’activation de la surface par ozonation pour pouvoir greffer par voie thermique ou pour optimiser le rendement du greffage dans le cas du greffage par voie UV (comme expliqué plus haut dans les résultats d’XPS). Il y a aussi les irradiations UV utilisées pour créer des radicaux libres à la surface du PCL que ce soit par décomposition d’(hydro)peroxydes de PCL (après ozonation) ou pour produire des radicaux libres directement à partir de la surface PCL. N’oublions pas aussi la chaleur à 45 °C, pendant 1 h ou 3 h, pour greffer par voie thermique, qui reste même si elle est un peu loin de la température de fusion du PCL, assez élevée.

Ces différents traitements physiques et/ou chimiques risquent d’induire des changements dans les propriétés intrinsèques de notre polymère utilisé pour la production des échafaudages, et de ce fait altérer la structure ou la stabilité de celui-ci.

4.2.2.1 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) :

La calorimétrie différentielle à balayage permet de mesurer la variation du flux de chaleur entre une capsule contenant l’échantillon à analyser et une capsule servant de référence. Cette mesure permet d’enregistrer tous les changements d’états ou transitions (endothermiques ou exothermiques) de l’échantillon lorsqu’il est soumis à un cycle de température. Nous l’avons employé afin de déterminer les températures de fusion, les enthalpies de cristallisation et de fusion de notre polymère.

Les thermographes DSC des différents échantillons, traités ou non, lors du premier et unique passage de chauffe sont présentés sur la Fig. 50.

Figure 50: Thermographes DSC des échafaudages « µm » en fibres PCL traités ou non.

La superposition des thermographes DSC du PCL non traité et des différents échantillons traités montre, après les différents traitements subis une très légère

augmentation de la température de fusion du PCL, avec un décalage de la pointe du pic vers les hautes températures. Cependant, en comparant les thermographes des échantillons traités avec celui du PCL non traité, les différentes étapes de traitement semblent ne pas avoir affecté l’intensité des pics de fusion et l’allure générale des courbes. Ceci dit, étant donné que chaque échantillon analysé présente une masse différente des autres, les graphes ne pourront pas se superposer à la perfection, rendant l’interprétation des résultats, en se basant uniquement sur les graphes, impossible.

Les propriétés thermiques ; la température de fusion et le degré de cristallinité des échafaudages « µm » en fibre PCL non traités et traités analysés sont indiquées au Tableau 18. Les analyses ont été réalisées en triplicatas. Pour la mesure du degré de cristallinité du PCL, nous avons directement divisé la moyenne de chaque enthalpie de fusion (ΔHm) sur le (ΔH_௠଴) qui représente l’enthalpie de fusion du PCL 100 % cristallin, expliquant pourquoi il n’y a pas d’écarts type sur les mesures de (Xc).

Tableau 18 : Propriétés thermiques des échafaudages en fibre PCL non traités et traités.

Echantillons Tm(°C) Xc (%) Non traité 58 ± 0.1 49.7 Ozoné 20 min 61 ± 0.4 52.7 Irradiation UV 1 h 60 ± 0.2 49.5 Chaleur 1 h à 45 °C 60 ± 0.4 48.9 Chaleur 3 h à 45 °C 60 ± 0.1 48.8 Ozoné 20 min + 1 h à 45 °C 61 ± 0.1 50.4 Ozoné 20 min + 3 h à 45 °C 61 ± 0.6 49.0

Ozoné 20 min + 1 h irradiation UV 61 ± 0.7 49.2

Le Tableau 18 regroupe les valeurs de la température de fusion (Tm), la température et le taux de cristallinité (Xc) du PCL en fonction des différents traitements. Le PCL non traité a montré une température de fusion de 58 °C et un degré de cristallinité (Xc) de 49.7 %, ce qui est conforme à la littérature [272].

Nous avons constaté que les étapes du processus de greffage, que ce soit par ozonation, chauffage ou irradiation UV, ont très légèrement augmenté la température de fusion, avec la plus haute (Tm) enregistrée sur les échafaudages ayant subi une ozonation de 20 min.

variation des valeurs observées. En revanche, étant donné les écarts types faibles et le fait que les variations sur les valeurs ne dépassent pas au plus 2 unités, nous pouvons conclure qu’aucune variation significative des propriétés thermiques du PCL (Tmet Xc) n'est apparue après les différents traitements, quelle que soit la méthode de greffage utilisée (thermique ou UV) (Tableau 18). Il a déjà été démontré que le greffage thermique de polyNaSS sur des surfaces de film PCL n'altère pas les propriétés thermiques du PCL [272], mais ces résultats restent à confirmer par des études complémentaires sur les autres propriétés du PCL après le processus de greffage.

4.2.2.2 Chromatographie d’exclusion Stérique (SEC) :

Les masses molaires moyennes en nombre (Mn) et l’indice de polydispersité (Đ) défini par le rapport entre Mw et Mn (Đ = ^{୑ ୵}_{୑ ୬}) du PCL non traité et après les différents traitements sont mesurées par chromatographie d’exclusion stérique et sont regroupées dans le Tableau 19.

Tableau 19 : Masses molaires moyennes en nombre (Mn) et indice de polydispersité (Đ) des échafaudages « µm » en fibres PCL avant et après différents traitements.

Echantillons Mn(g/mol) Đ Non traité 160 627 ± 1490 2 Ozoné 20 min 146 190 ± 1179 2.3 Irradiation UV 1 h 161 881 ± 2111 1.8 Chaleur 1 h à 45 °C 159 701 ± 2292 1.9 Chaleur 3 h à 45 °C 160 548 ± 1173 1.9 Ozoné 20 min + 1 h à 45 °C 151 150 ± 1410 2.0 Ozoné 20 min + 3 h à 45 °C 149 749 ± 1271 2.0

Ozoné 20 min + 1 h irradiation UV 125 411 ± 3962 2.2

La première chose que nous pouvons noter est la diminution des masses molaires en nombre du PCL après un traitement à l’ozone. Cependant, lorsque nous observons la masse molaire moyenne en nombre des échantillons passés sous irradiation UV pendant 1 h, nous ne notons pas de différence avec celle du PCL pur. La diminution de la masse peut être expliquée par un effet agressif de l’ozonation sur la couche superficielle des fibres. L’indice de polydispersité quant à lui, reste assez stable de manière générale.

Cette diminution des masses pour les échantillons ozonés peut être attribuée à une légère dépolymérisation ou à une altération de la couche superficielle de la membrane sous l’effet de l’ozonation. La Figure 51 présente les courbes obtenues en SEC pour ces trois premières séries d’échantillons.

Pour les échantillons traités thermiquement à 45 °C pendant 1 h ou 3 h, nous pouvons observer que la masse molaire moyenne en nombre est stable. Concernant l’indice de polydispersité pour ces deux séries d’échantillons, il est n’y a pas eu de variation significative. Sur la Figure 52, nous pouvons observer les 2 courbes SEC obtenues pour ces échantillons.

Figure 52 : Courbes SEC des échantillons traités à 45 °C pendant ; a) 1 h et b) 3 h.

Pour les trois dernières séries d’échantillons, reproduisant les étapes de traitement lors des processus de greffage thermique pendant 1 h ou 3 h ainsi que le greffage sous irradiation UV avec activation de la surface, nous avons noté une diminution des masses que ce soit pour les échantillons traités à 45 °C ou passés sous irradiation UV. Cette diminution peut nous confirmer que c’est bien l’étape d’ozonation qui semble avoir un effet sur la masse du polymère, en provoquant peut être des scissions de chaines.

Cependant, nous avons noté une accentuation de cette diminution dans le cas d’un traitement aux UV précédé par cette étape d’ozonation.

Nous n’avons pas enregistré d’augmentation des masses molaires moyennes qui pourraient être dues à une réticulation du PCL en présence de traitements capable de générer des radicaux, et qui pourraient augmenter l’enchevêtrement des chaines du polymère.

Figure 53 : Courbes SEC des échantillons ozonés et ayant subis par la suite ; a) chaleur à 45 °C pendant 1 h, b) chaleur à 45 °C pendant 3 h et c) irradiation UV pendant 1h.

Pour conclure : ces analyses SEC ont permis de vérifier qu’il n’a avait pas d’effet de la chaleur ou des irradiations UV seules sur la masse des échafaudages. Cependant, elles ont révélé un effet du processus d’ozonation, avec une diminution des masses qui semble être accentuée lorsque nous combinons les irradiations UV avec l’étape d’ozonation.

4.3 Etude des propriétés mécaniques des échafaudages :

La mesure précise des propriétés mécaniques des membranes électrofilées pour les applications biomédicales est essentielle, pour garantir qu'elles puissent résister aux forces lors d'une intervention chirurgicale et celles exercées par les forces physiologiques et/ou par la croissance tissulaire.

La réponse d'un matériau polymère aux forces externes peut varier en fonction des caractéristiques et des propriétés des matériaux, y compris la longueur de la chaîne, l'enchevêtrement des chaînes, les degrés de cristallinité et de réticulation, la température de transition vitreuse et la préparation des matériaux. L’application d'une force externe sur un matériau polymère lui fera subir un changement de forme et le matériau peut réagir de plusieurs façons : (i) le matériau peut ne pas retrouver ses dimensions d'origine et a donc été déformé de façon permanente ; (ii) le matériau se comporte élastiquement et reprend ses dimensions d'origine [312]. Le comportement global diffère d’un polymère à un autre (Fig. 54)

Figure 54 : Courbes contrainte-déformation de différentes classes de polymères.

Les essais de traction uni-axiale donnent des informations sur la résistance à la traction, sur le module d’élasticité ou module d’Young (E) (pente de la région linéaire

initiale de la courbe contrainte / déformation), la limite d'élasticité / déformation (fin de la partie élastique linéaire, début de la région plastique non linéaire), contrainte à la rupture / déformation (Smax) et la déformation (ɛmax) maximale du maillage de fibres électrofilées ou d’une fibre simple.

Pour qu'un essai en mécanique soit précis et répétable, il est important de rapporter les dimensions macroscopiques (longueur d’éprouvette et section transversale), la vitesse de déformation, la charge appliquée, ainsi que l'épaisseur de l'échantillon. Il faut aussi préciser si les mesures ont été effectuées à température ambiante ou sous conditions physiologiques (à 37 °C, dans PBS ou dans du milieu de culture).

La plupart des articles qui rapportent les propriétés mécaniques des membranes électrofilées mesurent la surface de la section transversale d'un maillage très poreux de l'ordre de dizaines à centaines de microns, avec une précision de plusieurs dizaines de microns. L'erreur induite en procédant de la sorte, pourrait être une explication à l'importante variation observée dans les propriétés mécaniques rapportées pour des membranes électrofilées produites avec le même polymère.

Le diamètre des fibres permet de contrôler la porosité ainsi que la taille des pores. Moroni et al. (2006) [313] ont prouvé que pour tout autre paramètre constant, les fibres de diamètres importants engendrent des scaffolds dont la porosité est plus élevée.

L’orientation des fibres permet de varier la porosité et la dimension des pores. Ces deux paramètres influent bien évidemment sur les propriétés mécaniques. En effet, lorsqu’on peut faire varier la taille des pores et la porosité d’une structure, de drastiques effets peuvent être observés. Moroni et al. ont effectué une étude systématique de l’impact de l’architecture sur les propriétés physiques et mécaniques des scaffolds [313]. Ils ont montré que les propriétés mécaniques sont fonction de l’arrangement spatial des couches. L’espacement entre les fibres est une caractéristique majeure de l’architecture des scaffolds. La dimension des pores et la porosité dépendent de cette valeur. Elle ne peut cependant pas être plus petite que la taille d’une fibre.

Dans cette étude, en utilisant des d’échafaudages issus de deux membranes en fibres électrofilées aux caractéristiques structurales ou morphologiques différentes, nous nous attendons à observer des différences en termes de propriétés mécaniques.

Les essais mécaniques sont réalisés après avoir mis au point un protocole de mesure adapté au type de matériau testé et à sa forme géométrique. Les tests sont menés dans le but de comparer les propriétés mécaniques des échafaudages entre eux, et de déterminer l’influence des étapes de fonctionnalisation sur les propriétés mécaniques.

Ces tests sont réalisés sur des éprouvettes type H3 ayant subies différents traitements. Premièrement, nous avons commencé par préparer les deux types de membranes en fibres PCL électrofilées. Les conditions de déposition de ces membranes sont présentées dans le Tableau 6 (paragraphe ; 4. 1. 2. 1).

A partir des membranes, sont découpées des éprouvettes type H3 qui vont servir d’échantillons pour ces tests mécaniques (Fig. 55). Sur chaque membrane, avec l’emporte-pièce, nous avons découpé trois éprouvettes, qui vont servir au même test (effectué en triplicata).

Ces éprouvettes présentent les dimensions suivantes (Fig. 55. droite):  A : Longueur totale = 50 mm

 B : Largeur des têtes = 9.5 ± 0.1 mm

 C : Longueur de la partie utile = 17 ± 0.5 mm  D : Largeur de la partie utile = 4 ± 0.1 mm

L'épaisseur des échantillons testés a été mesurée à partir des micrographies MEB de la section utile des éprouvettes (Fig. 56). Cette mesure est effectuée sur des éprouvettes non traitées. Les valeurs obtenues, par mesure avec le logiciel « ImageJ » sont présentées dans le Tableau 20.

Tableau 20 : Epaisseur des scaffolds utilisés pour les tests mécaniques.

Mesure Membrane µm Membrane nm

1 263.687 317.581 2 306.465 292.561 3 247.312 285.072 4 281.229 283.11 5 219.101 314.703 6 296.477 326.734 7 287.321 281.022 8 314.322 271.988 Moyenne (µm) 276.99 296.59 Ecart type 32.02 20.19

Figure 56 : Micrographies MEB de la section transversale des échafaudages : (droite) µm et (gauche) nm, pour la mesure de l’épaisseur.

Préalablement à la réalisation des tests mécaniques, la éprouvettes ont été, soit traitées sans introduire le monomère NaSS pour servir de conditions témoins, soit greffées, avec du polyNaSS, avec les conditions établies précédemment. Dans le Tableau 21 sont résumées, les différentes conditions testées.

Tableau 21 : Conditions de traitement/greffage des éprouvettes H3. Eprouvettes H3 Condition Témoins Non traitées Ozonées 20 min Irradiation UV 1 h Chaleur 1 h à 45 °C Chaleur 3 h à 45 °C Greffées polyNaSS G Th 1 h - Oz 20 min G Th 3 h - Oz 20 min G UV 1 h - Oz 20 min G UV direct 1 h

Suite aux différents traitements, les éprouvettes sont lavées pendant 48 h à l’eau distillée, puis séchées dans une étuve à 37 °C, avant d’être testées. Pour permettre de réaliser une étude comparative entre les divers échantillons, tous les essais ont été réalisés à température ambiantes, avec le même capteur de force et des pinces adaptées.

4.3.1 Essais mécaniques :