La microencapsulation

2.1. Principe et définition

Le terme microencapsulation regroupe l’ensemble des procédés de fabrication des microcapsules. Cette technique permet d’emprisonner des substances solides, liquides, ou des gaz, dans une membrane constituée d’un polymère ou d’un lipide [32-35]. On appelle la substance emprisonnée, le matériau cœur, le principe actif, la phase interne, ou encore le matériau couché. Le matériau extérieur est appelé membrane, matériau carapace, mur, ou encore matériau enrobant. La fabrication de microcapsules permet d’isoler le matériau cœur du milieu extérieur et de le protéger contre les variations de température, les rayonnements, les solvants ou l'oxydation. Elle permet également de protéger l’utilisateur si le matériau cœur est toxique. Enfin, cette technologie permet de libérer la substance cœur au moment souhaité, pendant l’utilisation, de manière instantanée ou progressive. Ainsi, une des caractéristiques principales est la résistance des capsules produites, qui doit être appropriée au procédé de fabrication (pour ne pas casser les microcapsules avant usage) et à l’utilisation envisagée.

2.1.1. Microparticules obtenues

Les particules produites par ce type de procédé peuvent être des microcapsules ou des microsphères, comme l’illustre la Figure 10. Leur différenciation principale réside dans la dispersion du matériau cœur à l’intérieur du matériau enrobant, comme l’explique le Tableau 5.

Figure 10 : Microcapsule et microsphère

Principe actif ^{Taux d'encapsulation du}

matériau cœur (% en masse)

Microcapsule ^{Solide ou liquide, enveloppé par}

le matériau carapace 85 - 90

Microsphère ^{Dissout ou dispersé dans le}

matériau enrobant 20 - 35

Il existe plusieurs types de microcapsules, comme l‘illustre la Figure 11. Elles peuvent être mono ou multi nucléaires, à simple ou à plusieurs parois, de forme sphérique ou ovoïde [33 ; 36] :

Figure 11 : Différents types de microcapsules [36]

La forme des microcapsules obtenue dépend principalement de la forme du matériau à enrober et de la technique d’encapsulation choisie. La forme la plus courante est la capsule mononucléaire, de forme sphérique, avec une distribution en taille de type gaussienne, centrée autour d’une ou deux tailles [37 ; 38]. La taille des microcapsules obtenue dépend également de la technique d’encapsulation utilisée et de la taille du matériau coeur. Cette taille varie globalement de 1 à 1000 µm. Au dessous de 1 µm, on parlera de nanoparticules (nanocapsules ou nanosphères). Les particules produites dont la taille dépasse les 1000 µm seront appelées macroparticules [39 ; 40].

2.1.2. Principe de libération

Il existe plusieurs techniques de libération du principe actif :

- Libération déclenchée, rapide : rupture de la membrane par augmentation de la température ou par application d’une pression [33 ; 41].

- Libération prolongée :

o Soit par diffusion à travers la membrane, poreuse et perméable, qui permet un largage lent et régulier du matériau cœur. Le temps de largage dépend principalement des caractéristiques de la membrane (porosité, épaisseur ...).

o Soit par dégradation progressive de la membrane : au contact d’une enzyme, d’une flamme ou d’eau, le matériau carapace se dégrade progressivement, libérant la

Ces différents principes de libération sont illustrés par la Figure 12 :

Figure 12 : Libération du principe actif des microcapsules par (a) rupture rapide ou (b) diffusion

2.1.3. Historique et applications

Ce procédé est né dans les années 50 aux USA et sa première application fût celle du papier autocopiant sans carbone [43]. Les microcapsules se retrouvent aujourd’hui dans de nombreux produits:

- Papier autocopiant sans carbone - Papier thermique

- Lingettes nettoyantes

- Encres thermochromiques ou photochromiques - Encres et vernis olfactifs

- Aspirine

- Lotion d’huile et de parfum.

Cette technologie est donc présente dans de très nombreux secteurs comme l’industrie pharmaceutique (fabrication de médicaments …), l’agroalimentaire (pesticide, masquer des goûts …), la cosmétique (libération d’odeurs …), la chimie, le textile (protection ignifuge, adoucissant) ou encore le BTP (microencapsulation d’adhésif) [44-47].

2.2. Les procédés d’encapsulation

On peut classer les techniques de microencapsulation suivant plusieurs critères: - La nature du milieu dispersant : liquide, gazeux …

- L’utilisation de polymères préformés, de monomères, ou de lipides pour former la carapace.

Le classement généralement utilisé est le type de procédé :

 Procédés mécaniques : lors des procédés mécaniques, le matériau carapace est déposé ‘mécaniquement’, sur le matériau cœur. Ils regroupent l’utilisation de techniques de pulvérisation, de formation de gouttes et d’extrusion [41 ; 42].

 Procédés physico-chimiques : ces méthodes se basent sur la maîtrise de la variation de solubilité et des conditions de précipitation du matériau enrobant. Ce phénomène intervient lors de la variation des conditions expérimentales.

 Procédés chimiques : Ils se basent sur la formation in situ du matériau enrobant, par des réactions de polycondensation, ou de polymérisation radicalaire par exemple, contrairement aux autres procédés qui utilisent des matériaux préformés [41].

Le procédé choisi ainsi que le choix des matériaux cœur et carapace déterminent les propriétés finales des microcapsules (diamètre, forme, teneur en substance active, stabilité, mode de libération...) [41]. Le Tableau 6 classe l’ensemble des principaux procédés d’encapsulation, avec quelques exemples de matériaux carapace associés :

Procédés physico-chimiques Exemples de polymères carapace associés Evaporation de solvant Ethyle cellulose, poly méthacrylate de méthyle

Coacervation simple Gélatine, éthyle cellulose, alcool polyvinylique Coacervation complexe Gélatine/gomme arabique, chitosane, polyacrylique Gélification « hot melt » Paraffine, cire de carnauba

Procédés mécaniques Exemples de polymères carapace associés Pulvérisation - séchage

("spray-drying")

Chitosane, amidon, copolymères acryliques et méthacryliques

Lit fluidisé ("fluidized bed") Alginate, dérivés cellulosiques et méthacryliques

Extrusion Polyoléfines

Procédés chimiques Exemples de polymères carapace associés Polycondensation interfaciale Polyamide, polyurée, polyesters

Polymérisation in situ Dérivés acryliques, poly méthacrylate de méthyle

2.3. Références

32 Benita S., 1996, Microencapsulation - methods and industrial applications, Drugs and the pharmaceutical sciences, vol. 73, p. 1-3

33 Empereur J., 2006, Conception de nouveaux papiers autoadhésifs, Thèse de l’INPG, p. 29-31

34 Thies C., 2006, Microencapsulation, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology 5th edition, vol. 16, p. 438-440

35 Dixit S., Goel A., 2007, Microencapsulation in textile processing - an overview, Asian Textile Journal, p. 83

36 Kondo A., 1979, Microcapsule processing and technology, Marcel Dekker Inc. New York and Basel

37 Seehafer T.R., Stahler G.A., 2003, Uniform Microcapsules, US Patent 099757

38 Cai T., Hu Z., Marquez M., 2004, Synthesis and self-assembly of nearly monodisperse nanoparticles of a naturally occurring polymer, American Chemical Society, vol.10, p.1021

39 Whelehan M., Marison I.W., 2011, Microencapsulation using vibrating technology, Journal of Microencapsulation, vol. 28 (8), p. 669-688

40 Jyothi N.V.N., Prasanna P.M., Prabha K.S., Ramaiah P.S., Srawan G.Y., Sakarkar S.N., 2010, Microencapsulation techniques - factors influencing encapsulation efficiency, Journal of Microencapsulation, vol. 27 (3), p. 187

41 Richard J., Benoit J.P., 2000, Microencapsulation, Techniques de l’ingénieur, J2210, p. 2-5

42 Boh B., Sumiga B., 2008, Microencapsulation technology and its applications in building construction materials, RMZ – Materials and geoenvironment, vol. 55 (3), p. 329-344

43 Green B.K., Scheicher L., 1955, Pressure Sensitive Record Materials, US Patent no. 2 217 507 Ncr C

44 Lidert Z. 2005, Microencapsulation: an overview of the technology landscape, Delivery System Handbook for Personal Care and Cosmetic Products, p.181-190

45 Truffi B., 2000, Elaboration de nouveaux papiers thermiques, Thèse de l’INPG, p. 119

46 Gordon N., 2002, Application of microencapsulation in textiles, International Journal of Pharmaceutics, 242, p. 55-62

47 Champagne C.P., Fustier P., 2007, Microencapsulation for the improved delivery of bioactive compounds into foods, Biotechnology, vol.18 (2), p. 184-190