Remplissage de la mésoporosité

Quelques analyses chimiques locales complémentaires ont également été effectuées lors d’observations au Microscope Electronique à Transmission, afin de mieux appréhender la composition de l’intérieur des pores. Le cliché MET, présenté sur la Figure III.33-a, montre que le réseau des MSN n’est pas modifié lorsque du principe actif est présent. De plus, bien que le MET permette de visualiser directement à l’intérieur du réseau poreux, aucun changement n’est détecté dans les pores si on compare les clichés pris sur les MSN initiales (voir Figure III.16) et les particules de silice co-atomisées avec de l’ibuprofène. La difficulté d’observer une quelconque différence peut être expliquée de la manière suivante : comme le carbone est un élément léger par rapport au silicium (densité électronique plus faible) le contraste entre les deux peut être important, comme dans le cas où le réseau est vide. De plus, les molécules ne sont peut-être pas organisées de manière dense dans les pores, et cela réduit encore la densité électronique. Ainsi, un contraste fort demeure entre pores potentiellement remplis et murs de SiO2.

Pour pouvoir justifier la présence de molécules organiques dans les pores, nous avons donc réalisé de la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons transmis (MET-EELS, pour Electron Energy Loss Spectroscopy). Les variations d’énergie de ces électrons permettent d’en déduire la présence d’un atome donné. Cette étude peut être faite sur un point précis, ou sur un segment, ce qui permet ainsi de valider la différence de composition entre les « murs » de silice et l’intérieur des pores. Les analyses ont été effectuées sur les atomes principaux présents, à savoir le silicium, le carbone et l’oxygène (l’hydrogène n’ayant pas de signal en EELS).

104 Figure III.33 : (a) Cliché HAADF-STEM du réseau poreux de poudre atomisée dans les conditions de référence (MSN Lot01). (b) Profils de distributions C et O et (c) Profils de distributions C et Si, obtenus en suivant la ligne noire présente

sur le cliché

Un exemple de profil de distribution relatif à l’échantillon de poudre atomisée dans les conditions de référence est présenté sur la Figure III.33. Les énergies mises en jeu sont de différents ordres de grandeur selon l’atome étudié, ce qui complique l’interprétation. On peut observer toutefois que le signal de silicium fluctue le long de la ligne sondée. Ainsi, il augmente lorsqu’on se trouve sur la paroi de silice et diminue quand on sonde l’intérieur des pores, puisqu’il n’y a pas de silice au sein même des pores. Le signal lié à l’oxygène par contre est non seulement très peu intense, mais comme cet atome est présent dans le mur de silice et dans la molécule d’ibuprofène, aucune conclusion ne peut être tirée de cette donnée. En revanche, la quantité de carbone semble évoluer inversement à celle de silicium, ce qui pourrait indiquer un remplissage au moins partiel des pores par l’ibuprofène. Mais il ne faut pas oublier que l’échantillon a été métallisé pour pouvoir être observé au MET, ce qui implique que l’on a déposé du carbone dessus. De plus, l’échantillon a été inclus en résine époxy ; cette résine, composée de carbone, peut aussi certainement se trouver dans la porosité. Ces deux possibilités peuvent être la source de modification du signal du carbone entre les murs de silice et l’intérieur des pores, et on ne peut donc pas prouver clairement la présence de molécules organiques dans le réseau avec cette technique.

D’autres techniques de caractérisation, comme le SAXS, sont plus faciles à mettre en œuvre et peuvent également attester de la charge en ibuprofène. En effet, le SAXS a déjà été utilisé afin d’observer l’évolution de l’organisation d’un réseau dans le cadre d’une modification chimique effectuée en surface des pores, ou alors une fois le système chargé en principe actif (Kang et al. 2004, Guo et al. 2013).

La Figure III.34 met en évidence des courbes d’intensité diffusée de même allure pour les MSN initiales (MSN Lot01) et pour la poudre atomisée dans les conditions de référence (Atomisation de référence) ; on retrouve notamment des pics de diffraction aux mêmes valeurs de vecteurs de diffusion, qui sont reliées à l’organisation de la porosité des particules. Les mêmes valeurs de q impliquent une

105 conservation de l’organisation et surtout des dimensions du réseau poreux, avec une valeur de distance centre-à-centre toujours égale à 4,5 nm. En revanche, on peut voir sur la Figure III.34-b des écarts d’intensité diffusée assez importants entre les deux courbes. En effet, les agglomérats de MSN obtenus après l’atomisation de référence présentent des pics de diffraction moins intenses.

Figure III.34 : (a) Profils SAXS de MSN (Lot01) et de poudre atomisée dans les conditions de référence (en log/log), (b) zoom sur la région reliée aux pics de diffractions, dus au réseau mésoporeux (en linéaire)

Sachant que l’information physique liée à cette intensité est directement corrélée au contraste électronique, ce dernier peut justifier ces écarts. Pour rappel, le contraste vaut Δρ=ρs-ρ0, avec ρs la densité de la silice, et ρ0 la densité de l’intérieur de la mésoporosité. Lorsque les pores sont vides (i.e. il n’y a pas de molécules au sein du réseau), la densité ρ0 équivaut donc à celle du milieu extérieur au système (soit le vide durant une analyse SAXS). En revanche, lorsque le matériau est chargé, la densité ρ0 représente la densité électronique moyenne du contenu des pores, qui comprend donc :

1) les éventuelles molécules chargées dans le matériau, et 2) le vide, si le réseau n’est pas complètement chargé.

La valeur du contraste Δρ est donc modifiée, ce qui induit une modification de l’intensité de diffusion I(q) par rapport à l’intensité mesurée pour ce même matériau non chargé. Dans le cadre de l’analyse en SAXS de matériaux encapsulés au sein de silice mésoporeuse, une diminution du contraste entre la matrice et l’intérieur des pores a effectivement été associée à la charge en molécules actives dans la littérature. On peut citer les exemples de charge par des molécules organiques telles que le naproxène (Guo et al. 2013) ou l’ibuprofène (Charnay et al. 2004, Izquierdo-Barba et al. 2009, Gao et al. 2012). Selon les atomes qui composent cette molécule, la valeur d’intensité diffusée varie car la densité de ces molécules est différente (Marler et al. 1996). Au contraire, une augmentation du contraste a été observée en présence d’entités au sein du réseau mésoporeux ayant de grandes densités électroniques comme des oxydes de fer (Li et al. 2016) ou un métal cuivré (Gommes et al. 2016), entrainant dans ce cas une augmentation de l’intensité diffusée.

Ainsi, la diminution d’intensité diffusée observée lorsque la poudre est atomisée dans les conditions de référence traduit la présence du principe actif dans les pores. Le SAXS permet donc ici de prouver clairement la charge des MSN en ibuprofène à l’intérieur des mésopores, et par conséquent de justifier l’utilisation du procédé d’atomisation comme outil d’encapsulation d’actifs.

On peut souligner qu’un tel phénomène est possible avec les matériaux utilisés, car l’adsorption d’une molécule est un processus sélectif par la taille ; le diamètre des pores doit être plus grand que les

106 dimensions de la molécule pour permettre l’adsorption du principe actif au sein du réseau (ratio

𝑑_{𝑝𝑜𝑟𝑒𝑠}

𝑙_{𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑒}> 1) (Vallet-Regí et al. 2007). La corrélation entre la taille du réseau et la quantité de principe actif chargé a été largement démontrée dans différents travaux s’intéressant à l’effet de la taille des pores sur l’encapsulation (Horcajada et al. 2004, Izquierdo-Barba et al. 2005, Aerts et al. 2010, Jin et Liang 2010, Jia et al. 2012). De plus, la taille des pores influe aussi sur l’état physique du principe actif encapsulé (amorphe, ou sous forme de nanocristaux par exemple) (Shen et al. 2011). Nous ne nous sommes pas intéressés dans ce travail à l’influence de la taille des pores, qui est fixée, mais il était important d’aborder ce paramètre et son lien avec le phénomène d’adsorption pour comprendre comment il est possible d’avoir des particules d’ibuprofène dans le réseau poreux.