Les caractérisations de l’alginate et du chitosane présentées dans la section précé- dente ont permis de déterminer la nature plus précise des polysaccharides étudiés. La présente section se concentre sur l’étude texturométrique de gels d’alginate et de chito- sane isolés, ainsi qu’à leur mélange sous forme dePEC.
L’analyse de texture se réalise en appliquant des forces contrôlées à l’échantillon et en enregistrant les réponses en termes de force, déformation et durée. Le test consiste à faire pénétrer une sonde dans des conditions bien définies dans l’échantillon. Il s’agit donc sur- tout de réaliser une étude comparative sur une série d’échantillons caractérisés dans les exactes mêmes conditions (contenant), sur le même équipement et avec le même mode opératoire. Les mesures sont faites au moyen d’un analyseur de texture et d’un plongeur cylindrique comme sonde. Il effectue un cycle charge - décharge (montée – descente) dans l’échantillon (figure2.9). Le résultat de la mesure est un graphique représentant la force (exercée par l’échantillon sur la sonde) en fonction de la distance (parcourue par le bras mobile) (figure2.10) ou en fonction du temps du test. Il est alors possible de déduire de ce type de courbe différents paramètres. Il est alors possible de déduire de ce type de courbe différents paramètres. Tout d’abord, la consistance, qui représente la résistance à la pénétration, peut être déterminée en relevant la contrainte maximumσmax. L’adhé- sivité du matériau peut-elle être déterminée en mesurant l’aire sous la courbe après la sortie de la sonde. Il est cependant difficile de définir les limites de l’aire à mesurer. On se propose donc d’utiliser la force minimum,σmi n, comme indicateur de l’adhésivité. Enfin, l’élasticité peut être évaluée. Dans le cas d’un matériau purement élastique, on peut en ef- fet supposer que le matériau renvoie la même force lors de la descente de la sonde que de sa remontée. Dans un cas idéal, l’aire de sortie de la sonde Asor est alors égale à l’aire de pénétration Apen. On pose alors que l’élasticité E, en pourcentage, est égale à Asor/Apen.
Descente 1 Montée 2 Sonde Gel Contact
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FIGURE2.10 – Courbe type d’une analyse de texture. La sonde est plongée dans un gel (descente) jusqu’à 1 cm de profondeur. La sonde est alors remontée. Le texturomètre mesure la force, positive (répulsive) ou négative (attractive), ressentie par la sonde lors du trajet. La constance, l’élasticité et l’adhésivité peuvent être extraites de ce type d’analyse. Courbe type obtenue sur un gel de chi- tosane.
Pour un matériau élastique idéal, on aurait donc E = 100 %.
Des gels d’alginate, de chitosane et leur mélange ont été analysés. Pour les mélanges d’alginate/chitosane (ratio massique 63/37), ceux-ci ont été analysés avant (PEC) et après (PEC-UT) homogénéisation à l’Ultra-Turrax (UT), un procédé de mélange impliquant des contraintes de cisaillement élevées. Lors de précédentes études, l’homogénéisation à l’UT s’est en effet montrée optimale pour les propriétés desPECsobtenus en favorisant la for- mation de liaisons intimes entre l’alginate et le chitosane [28]. En outre, la même étude a révélé de meilleures propriétés pour lesPECsréalisés avec le ratio massique de 63/37 alginate/chitosane utilisé ici. La figure2.11reporte les courbes de texture obtenues pour les différents gels (Alg, Chi, PEC et PEC-UT). Trois cycles de mesure ont été effectués sur chaque gel. Les différents types de gels montrent alors clairement des comportements dif- férents. La répétition de trois cycles sur les gels d’alginate et de chitosane isolés ne montre aucune variation de comportement entre chaque mesure (figure2.11, Alg et Chi). Lors- qu’ils sont mélangés (PEC et PEC-UT), il semble que la répétition des cycles entraîne une augmentation de la consistance (σmax) avec une modification de la pente de la contrainte lors de la pénétration. Cette observation pourrait correspondre à un phénomène d’écra- sement plastique (compression non réversible) des gels lors des cycles de descente. Les compressions suivantes seraient alors plus difficiles du fait de l’état plus dense des gels, ce qui traduirait un comportement plus plastique des mélanges PEC et PEC-UT en com- paraison des gels d’alginate et de chitosane.
A partir de ces courbes, l’élasticité, la consistance ainsi que l’adhésivité ont été déter- minées et sont résumées dans la figure2.12, haut. Les mesures présentées correspondent à celles obtenues lors des premiers cycles. On retrouve alors en effet des élasticités im-
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FIGURE2.11 – Courbes de textures de l’alginate (bleu), du chitosane (rouge) et des PECs avant (vert) et après (orange) passage à l’Ultra-Turrax (PEC-UT). 3 cycles de mesures ont été réalisés sur chaque gel.
portantes pour les gels d’alginate et de chitosane, avec respectivement 68 % et 76 %. Cette élasticité diminue fortement lors du mélange des polymères, avec E = 49 % pour PEC. La diminution s’accentue lorsque le mélange est homogénéisé à l’UT avec une élasticité me- surée de seulement 16 % pour PEC-UT. Cette élasticité plus faible pour les mélanges est cohérente avec la compression plastique observée lors de la répétition des cycles présen- tée plus haut et est imputée à la formation d’un réseau entre les deux polymère, c’est- à-dire un complexe polyélectrolyte, qui rend plus difficile le mouvement des chaînes. Comme déjà reporté, le passage à l’UT favorise la formation de ce type de réseau [28].
Dans un même temps, le mélange entre l’alginate et le chitosane s’accompagne d’une nette augmentation de la consistance qui passe d’environ 210 Pa pour les gels isolés à 383 Pa et 781 Pa pour PEC et PEC-UT, respectivement. L’augmentation de la résistance à la déformation corrèle à la diminution de l’élasticité et semble cohérente avec la formation d’un réseau entre l’alginate et le chitosane, favorisé par l’action de l’UT.
Les mesures d’adhésivité mettent en l’avant une augmentation liée à la formation du
PEC(figure2.12, bas). Cette augmentation peut être reliée à une meilleure cohésion du gel pour PEC et PEC-UT, du fait de la présence d’un réseau entre les polymères.
La baisse de l’élasticité associée à l’augmentation de la consistance et de l’adhésivité traduit ainsi la formation d’interactions entre l’alginate et le chitosane. Toutefois, une étude rhéologique des modules G’ et G” devrait permettre de mieux comprendre le sys- tème.
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FIGURE2.12 – En haut, la plasticité (rayures) et consistance (plein) de gels de chitosane, d’alginate et de PECs d’alginate/chitosane avant (PEC) et après passage à l’Ultra-Turrax (PEC-UT). En bas, l’adhésivité de ces mêmes gels.
ticulier le ratio utilisé. Il est suspecté que lesPEC d’alginate/chitosane, dans le cas ou un excès d’alginate est utilisé, ne forment pas nécessairement des structures intercon- nectées, mais plutôt des structures cœur/coquille ou pelotes, selon les molarités utilisées (figure2.13) [29]. Dans notre cas, avec un rapport massique alginate/chitosane de 63/37, nous pouvons déterminer, pour 100g :
Moles de COO−(alginate) nCOO−=
mal g M0,al g
(2.16)
Or, on sait que la masse d’une unité monomérique d’alginate de sodium (R-COO−,Na+) M0,al g est de 198 g/mol, ainsi :
nCOO−=
63 198 nCOO−= 318 mmol
+ - Alginate Chitosane + - K(-/+)< 1 K(-/+)≈1 K(-/+)> 1
FIGURE2.13 – Structure d’un PEC en cœur/coquille ou pelote en fonction du ratio de charge net K(−/+). Redessiné à partir de la Ref [29].
De même, pour le chitosane :
Moles de NH+3 (chitosane) nNH+ 3 =
mchi M0,chi
(2.17)
Il convient cependant de prendre en compte le degré d’acétylation ainsi que le taux d’humidité du chitosane, la formule devient alors :
nNH+ 3 =
mchi(1 − DA)(1 − %H2O)
M0,chi
(2.18)
AvecDA= 23 %, %H2O considéré à 10 % et M0,chi la masse moyenne pondérée entre
unités acétylées (23 %, M=203 g/mol) et déacétylées (77 %, M=161 g/mol) de 170,7, on obtient : nNH+ 3 = 37 × (1 − 0,23)(1 − 0,10) 170, 7 nNH+ 3 = 150 mmol
Il a été montré dans la littérature que si les fractions G et GM de l’alginate étaient plus aptes à interagir avec les cations Ca+2, le rapport M/G du polymère n’influe pas sur les interactions qu’il entretient avec le chitosane [17]. Ainsi, le ratio de charge net K(−/+)peut directement être calculé tel que :
K(−/+)= nCOO−/NH+ 3 =
318 150 K(−/+)= 2, 12 > 1
d’une coquille d’alginate peut alors être attendu (figure2.13) [29]. Le calcul considère tou- tefois que le chitosane est totalement protoné sous forme NH+3. Cette hypothèse n’est pourtant pas si évidente, bien que les conditions d’élaboration soient optimisées pour (pH final du mélange autour de 5,5, avec pKaal g ≈ 41 et pKachi = 6,5) [26]. De plus, les auteurs de ce modèle montre que les tailles d’alginates et de chitosane ne semble pas influencer l’organisation desPECs. Dans le cas présent, la différence de Mw des deux bio- polymères est cependant importante et l’on pourrait s’interroger sur son impact sur le réseau formé. Quoiqu’il en soit, lors d’études précédentes, le point d’équivalence indi- quant la fin de formation duPEC, estimé par conductimétrie à mchi/mal g = 0,63, était bien en deçà de l’équivalence stœchiométrique calculée à 1,25, ce qui est révélateur de la non-disponibilité d’une partie des fonctions R-COO−de l’alginate [31]. En définitive, la déviation du ratio de charges nettes calculé doit cependant rester minime et il parait cohérent de considérer K(−/+)> 1. L’alginate, en excès, est donc, à priori, à l’extérieur du
complexe et disponible pour être réticulé par du calcium.
La figure2.14présente la cinétique de réticulation dePECsd’alginate et de chitosane après passage à l’UT. Après mélange, les gels sont réticulés en les recouvrant d’une so- lution de CaCl2à 1 % (m/v). A différents temps, lesPECsont subi une compression (2,5
mm) et la contrainte maximale nécessaire à l’écrasement a été mesurée.
A t = 0, lesPECssont sous formes gels et la contrainte de compression est ainsi relati- vement faible (150 Pa). La contrainte augmente cependant rapidement au cours du temps pour atteindre 100 kPa dès 180 minutes (3 H) de réticulation. Visuellement, les gels se so- lidifient en effet rapidement sous l’action du chlorure de calcium. Au bout de 180 min, la contrainte mesurée commence à se stabiliser et est de 140 kPa après environ 24 H (1 110 min) et de 160 kPa après 48 H (2 880 min). Après 48 H, il semblerait que la réticulation ne soit pas totalement finie et l’on pourrait s’attendre à une légèrement augmentation de
1. pKa allant de 3,4 à 4,5 en fonction des caractéristiques du polymère [30]
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FIGURE2.14 – Contrainte de compression de PECs (PEC-UT) en fonction du temps de réticulation par une solution de CaCl2à 1 % m/v.
la contrainte au cours du temps. Il se peut que la rapide augmentation de la contrainte observée dans les premiers instants de la réticulation corresponde à la formation d’inter- actions entre le calcium et l’alginate en excès, accessible comme l’a montré le calcul des charges net (K(−/+)> 1, figure2.13). Dans un deuxième temps, le calcium pourrait se sub-
stituer au chitosane selon un processus plus lent. L’impact de l’inclusion des ions ça+2 sur les interactions alginates/chitosane est un point intéressant mais sera abordé plus loin dans ce manuscrit (section2.5.2). Il est toutefois raisonnable de supposer dans un pre- mier temps que le calcium interagit avec l’alginate en excès. On notera au passage que la réalisation dePECsprésentant un excès de chitosane ne donne pas lieu à une réticulation en présence de CaCl2, ce qui tend à valider le modèle présenté figure2.13.
Le processus de réticulation semble être principalement actif durant les 3 premières heures. Lors de la réalisation de films, contrairement au cas présenté ici, lesPECs sont séchés avant d’être réticulés. La réticulation s’effectue donc sur des matériaux plus com- pacts et capables de gonfler en 20 min : la diffusion des calciums est donc probablement plus rapide au sein du matériau. La formation desPECset leur réticulation ne constituent néanmoins que la première étape dans le processus d’élaboration de la matrice absor- bante. A partir des gels obtenus, les procédés utilisés pour le séchage vont définir les ca- ractéristiques structurelles des matériaux finaux. Le temps de 3 H sera toutefois conservé pour ces études de structuration, puisque le séchage avant réticulation n’est que partiel.