EP3969166A1 - Procede de preparation de microcapsules biodegradables et microcapsules ainsi obtenues - Google Patents

Procede de preparation de microcapsules biodegradables et microcapsules ainsi obtenues

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EP3969166A1
EP3969166A1 EP20730315.7A EP20730315A EP3969166A1 EP 3969166 A1 EP3969166 A1 EP 3969166A1 EP 20730315 A EP20730315 A EP 20730315A EP 3969166 A1 EP3969166 A1 EP 3969166A1
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EP
European Patent Office
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microcapsules
monomer
acrylate
emulsion
microcapsule
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Pending
Application number
EP20730315.7A
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German (de)
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Inventor
Yves Ortais
Thierry RIBEIRO
Kaouthar OUDOUA
The Hien HO
Didier Gigmes
Catherine GUILLANEUF
Yohann Guillaneuf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GEM INNOV
Original Assignee
Gem Innov
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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    • C09D101/00—Coating compositions based on cellulose, modified cellulose, or cellulose derivatives
    • C09D101/02—Cellulose; Modified cellulose

Definitions

  • the present description relates to the field of microcapsules, and more particularly to methods of manufacturing microcapsules with a view to enclosing active substances such as essential oils. More precisely, it relates to a method for preparing biodegradable microcapsules. This method proceeds by interfacial polymerization of multifunctional compounds resulting in poly (beta-amino ester) s. The invention also relates to the biodegradable microcapsules obtained by this method.
  • Microencapsulation is a process making it possible to protect a reactive, sensitive or volatile substance (here called “active principle”) in a capsule whose size can vary from nanometer to micrometer.
  • active principle a reactive, sensitive or volatile substance
  • the heart of the capsule is therefore isolated from its external environment by a wall. This makes it possible to delay its evaporation, its release or its deterioration; there are many applications which exploit these technical effects when microcapsules are incorporated into a complex formulation or applied to a product.
  • the microcapsules can be used to spread in a controlled manner the active principle which they contain, which can in particular be a biocidal active agent, an insecticide, a disinfectant, or a fragrance; this can be done by diffusion through the wall or under the influence of an external force which breaks the wall.
  • the release of the active principle takes place under the influence of an external force which breaks the wall of the microcapsules; thus it is possible to release an adhesive (see for example WO 03/016369 - Henkel), or a reagent (see for example WO 2009/115671 - Catalysis).
  • the contents of the microcapsule cannot escape but its change in color under the effect of a variation in temperature (thermochromy) or UV irradiation (photochromy) is visible from the outside (see for example WO 2013/114 025 - Gem Innov, or WO 2007/070118 - Kimberly-Clark, or EP 1 084 860 - The Pilot Ink Co.).
  • thermalchromy a variation in temperature
  • photochromy UV irradiation
  • microcapsules by interfacial polymerization is usually done in 4 steps: (i) Preparation of a first phase containing the active ingredient (for example an essential oil) and an organosoluble monomer; (ii) Formation of an emulsion by dispersion of the first phase in an aqueous medium containing the surfactant, and which represents the second phase; (iii) Addition of the water-soluble monomer in the second phase; (iv) Formation and maturation of the membrane by reaction of monomers by polycondensation at the interface.
  • active ingredient for example an essential oil
  • organosoluble monomer for example an organosoluble monomer
  • WO 2009/115671 describes the formation of microcapsule walls by interfacial polycondensation, from various mixtures of monomers: hexamethylene diisocyanate (HMDI) and ethylene diamine; tetraethylorthosilicate (TEO) and 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate (MPTS); 2,4-tolylenediisocyanate (TDI) and 1, 3 phenylenediamine; 2,4-toluene diisocyanate and 1, 3-phenylene diamine.
  • HMDI hexamethylene diisocyanate
  • TEO tetraethylorthosilicate
  • MPTS 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate
  • TDI 2,4-tolylenediisocyanate
  • 1, 3 phenylenediamine 2,4-toluene diisocyanate and 1, 3-phenylene diamine.
  • microcapsules are already used in many technical applications, but their potential for application has not yet been fully recognized, and it is a strongly emerging sector that is expected to grow significantly from the moment the wall of the microcapsules meets increasingly stringent criteria in terms of toxicity and recyclability.
  • microcapsules represent microparticles of polymeric materials.
  • microparticles of polymeric materials have been identified as an area of ecological concern, because of their wide dissemination in ecosystems, in soils, in aquatic and marine ecosystems, to places far from their place of origin. introduction into the ecosystem. This wide spread not only harms the organisms present in these ecosystems in general, but could also have harmful consequences for human health.
  • microcapsules made of degradable polymeric material.
  • microcapsules used in many special applications and capable of being incorporated in many products of common use (such as textiles, cosmetic or phytosanitary products) or of technical use (such as paints, varnish, inks), will not normally be collected at the end of their life, and therefore cannot be subjected to biodegradation by composting, as can be envisaged for collected plastic products.
  • the degradability of the plastics which constitute the wall of the microcapsules cannot be based on the chemical mechanisms which take place during composting.
  • the problem that the present invention seeks to solve is to present a new type of microcapsules, easy to synthesize, without resorting to toxic and / or expensive raw materials, which is (bio) degradable in natural environment, which can be used with a large number of active principles, and which provides good external protection to the active principle that it is intended to contain.
  • polyester walls which is a polymer known for its (bio) degradability.
  • the literature shows that studies have already been carried out on this topic, and it has been shown that the reaction rate between acid chlorides and diols is very slow. This system is thus poorly suited to interfacial polymerization (see E.M. Hodnett and D.A. Holmer, J Polym Sci, 1962, 58, 1415-21).
  • Special conditions such as the use of bisphenol A as a diol and / or a reaction at very high pH made it possible to obtain microcapsules (see W.
  • PBAEs are essentially prepared in solution and are then formulated to produce for example micelles, particles, gel / hydrogels, or films (so-called Layer by Layer technique).
  • Oligo-PBAEs were also crosslinked in a second step either by photopolymerization (Brey, DM; Erickson, I .; Burdick, JAJ Biomed. Mater. Res. 2008, 85A (3), 731-741.7), or in the presence of di-isocyanates.
  • the microcapsules having a wall made of PBAE are synthesized by interfacial polymerization. More precisely, according to the invention the problem is solved by a process in which the Michael polycondensation reaction between amine functions and acrylate functions is used to obtain Poly (E3eta-Amino Esters) (PBAE) by interfacial polymerization.
  • PBAE Poly (E3eta-Amino Esters)
  • microencapsulation process comprises the following steps:
  • phase Dispersion of one or more compounds having at least two acrylate functions in an organic solution (here also called “oily phase”, in the context of an emulsion) constituting the phase to be encapsulated (and comprising, where appropriate , the active ingredient);
  • step (c) Addition to the emulsion obtained in step (b) of one or more compounds comprising at least one primary amine function and / or two secondary amine functions and polymerization reaction at a temperature of between approximately 20 ° C. and 100 ° C;
  • a first object of the invention is a process for manufacturing microcapsules containing a so-called active substance, process in which:
  • an aqueous solution of a surfactant is supplied, an oily phase comprising said active substance and at least one first monomer X, and a polar phase comprising at least one second monomer Y;
  • an O / W type emulsion is prepared by adding said oily phase to said aqueous solution of the surfactant;
  • said polar phase is added to said O / W emulsion, to enable a polymer to be obtained by polymerization of said X and Y monomers;
  • microcapsules comprising a wall formed by said polymer and containing said active substance are isolated from this reaction mixture;
  • said process being characterized in that said polymer is a poly (beta-amino ester).
  • diacrylates and preferably those described in the article by Nayak et al. (Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2018, 57, 7, 625-656);
  • PBAE oligo prepared for example by reaction of diacrylate compounds with a functional primary amine and / or a functional secondary diamine;
  • Said second monomer Y is selected from amines. More precisely, it is advantageously selected from the group formed by:
  • n is an integer which may typically be between 1 and 20, and which is preferably 2 or 6;
  • secondary diamines comprising an aromatic core such as meta-xylylene diamine
  • primary (multi) amines such as tris (2-aminoethyl) amine
  • secondary diamines such as piperazine
  • polymers containing primary and or secondary amine functions such as polyethylene imine.
  • said polymerization of said monomers is carried out with stirring at a temperature between 20 ° C and 100 ° C, and preferably between 30 ° C and 90 ° C.
  • Another subject of the invention is a microcapsule containing a so-called active substance, characterized in that its wall is formed of poly (beta-amino ester).
  • Yet another object of the invention is a microcapsule capable of being obtained by the method according to the invention.
  • the wall of the microcapsules thus prepared can be modified by adding a layer of polymer deposited on the surface of the microcapsules. This deposition can be done by adding a polymer dispersed in an aqueous phase which will be deposited on the surface of the capsules.
  • polysaccharides eg cellulose, starch, alginates, chitosan
  • their derivatives eg cellulose, starch, alginates, chitosan
  • Another possibility for modifying the wall of the microcapsules is to modify it by adding a radical initiator either in the aqueous phase or in the oily phase.
  • a final possibility is to react the residual amine functions at the surface with water-soluble monofunctional acrylates to modify the surface state of the microcapsules.
  • Figures 1 to 18 illustrate certain aspects of the invention, but do not limit their scope.
  • Figures 2 to 5 relate to Example 1.
  • Figure 7 relates to Example 2, Figure 8 to Example 3, Figure 8 to Example 3, Figure 10 to Example 6 , Figure 11 to Example 7, Figure 12 to Example 10, Figure 13 to Example 11, Figure 14 to Example 13, Figure 15 to Example 14, Figure 16 in Example 15, Figure 17 in Example 17 and Figure 18 in Example 18.
  • Figures 2 to 5 and 10 to 14 are optical micrographs; the horizontal bar at the bottom left of the image represents a length of 50 ⁇ m.
  • Figures 17 and 18 are also optical micrographs.
  • FIG. 1 shows the general diagram of the process according to the invention. Four-digit reference numbers denote steps of this process.
  • FIG. 2 shows an optical micrograph of microcapsules obtained according to Example 1, after 5 hours of reaction.
  • FIG. 3 shows a Fourier transform infrared spectrum (FTIR) of the wall of the microcapsules isolated in the slurries after 6 hours of reaction.
  • FTIR Fourier transform infrared spectrum
  • FIG. 4 shows an optical micrograph of microcapsules obtained according to Example 1, after drying on a glass slide.
  • FIG. 5 shows two optical micrographs of microcapsules obtained according to Example 1, after drying on a glass slide.
  • the micrograph on the left was obtained in grazing light, the micrograph on the right under fluorescent light after adding a few drops of a fluorescent dye.
  • FIG. 6 illustrates the reaction scheme of the reaction according to the invention.
  • thermochromic microcapsules are stable after a 30 min oven passage and that their thermochromic function is retained.
  • FIG. 8 illustrates the degradability of the walls of the microcapsule by an accelerated degradation test.
  • FIG. 9 illustrates the different fields of application of poly (beta-amino ester) s.
  • FIG. 10 shows that the microcapsules are stable after 24 h, and their average diameter is between 10 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • FIG. 1 1 shows an image similar to figure 10, and leads to the same conclusion, for another example.
  • FIG. 12 show the result of the use of the microcapsules according to the invention in carbonless paper.
  • FIG. 13 shows a photograph of microcapsules according to yet another example of the invention.
  • FIG. 14 shows a photograph of microcapsules according to yet another example of the invention.
  • FIG. 15 shows the percentage of biodegradation as a function of time for dry microcapsules according to the invention.
  • FIG. 16 shows the percentage of biodegradation as a function of time for the wall of the microcapsules according to the invention.
  • FIG. 17 shows a photograph of microcapsules according to yet another example of the invention.
  • FIG. 18 shows a photograph of a cotton fiber which has been contacted with microcapsules according to the invention, the surface of which has been modified (b) or not (a).
  • FIG. 1 shows a general diagram of the method according to the invention.
  • the aqueous solution of the surfactant (1000) is prepared.
  • An organic solution is also prepared (called also “oily phase”) comprising the phase to be encapsulated (which comprises the so-called active substance) and the monomer X (1002).
  • this oily phase 1002 which is an organic solution
  • an emulsion 1022 of O / W type oil in water, in English Oil in Water is obtained. , according to a designation known to those skilled in the art).
  • said organic solution is the so-called oily phase (O phase).
  • an aqueous solution of the Y-monomer 1024 is added to said emulsion 1022.
  • step 1040 the polymerization reaction results in a reaction mixture 1042 from which then forms in step 1050 a heterogeneous mixture 1052 called slurry which comprises, in aqueous-based suspension, the microcapsules containing the phase to be encapsulated.
  • Step 1050 generally involves a temperature of the reaction mixture 1042 above about 20 ° C, typically between 20 ° C and 100 ° C.
  • a temperature of between about 30 ° C and about 90 ° C is preferred, and even more preferably between about 40 ° C and about 80 ° C.
  • the X monomer is a (multi) acrylate
  • the Y monomer is an amine, preferably a primary amine and / or a primary (multi) amine and / or a secondary diamine and / or a compound having primary and secondary amines.
  • primary (multi) amine is understood to mean any compound comprising at least two primary amine functions.
  • amine As an amine, one can use, by way of example, molecules of the NH2 (CH2) n NH2 type where n is an integer which can typically be between 1 and 20, and which can be for example 2 (ethylene diamine) or 6 (hexamethylene diamine, CAS number: 124-09-4).
  • n is an integer which can typically be between 1 and 20, and which can be for example 2 (ethylene diamine) or 6 (hexamethylene diamine, CAS number: 124-09-4).
  • the nature and concentration of amines and acrylates can be varied.
  • the ratio of the reactive functions of the monomers Y (—NH) and X (acrylate) is advantageously greater than 1, and typically between 1 and 5, preferably between 1, 2 and 3.8.
  • the X (acrylate) and / or Y (amine) monomers are biobased.
  • Figure 6 shows the reaction scheme of the aza-Michael addition reaction between a secondary amine and an acrylate (reaction (a)) and of the polyaddition reaction between a multifunctional acrylate compound and a multi-amine compound resulting in a polymer crosslinked (reaction (b)).
  • the organic core of the microcapsules may consist of an organic phase comprising an active substance.
  • this organic (oily) phase will be enclosed by the polymeric wall of the microcapsule, which protects it from the environment.
  • Said organic (oily) phase may consist of said active substance, or said active substance may form part of said organic (oily) phase, in which it may in particular be dissolved.
  • active substance here refers to the precise purpose for which the microcapsules are intended to be used; as a general rule, given the specificity of the microcapsule product, this goal is always known during their manufacture.
  • the active substance can be selected in particular from oils (pure or possibly containing other molecules in solution or in dispersion), such as essential oils, natural and edible oils, vegetable and edible oils, liquid alkanes, esters. and fatty acids, or even from dyes, inks, paints, thermochromic and / or photochromic substances, fragrances, products with a biocidal effect, products with a foncigide effect, products with an antiviral effect, products with a phytosanitary effect , active pharmaceutical ingredients, products with a cosmetic effect, glues; these active ingredients possibly being in the presence of an organic vector.
  • oils pure or possibly containing other molecules in solution or in dispersion
  • oils such as essential oils, natural and edible oils, vegetable and edible oils, liquid alkanes, esters. and fatty acids, or even from dyes, inks, paints, thermochromic and / or photochromic substances, fragrances, products with a biocidal effect, products with a foncigide effect, products with an antiviral
  • natural products such as essential oils of eucalyptus, lemongrass, lavender, mint, cinnamon, camphor tree, anise, lemon, orange, which may have been obtained by extraction from plant material, or by synthesis.
  • hydrophobic compounds which will thus be naturally dispersed in the form of an emulsion of hydrophobic drops suspended in an aqueous phase.
  • the wall of the microcapsules can be modified by adding a surface coating to them.
  • This deposition can be done by adding a polymer dispersed in an aqueous phase which will be deposited on the surface of the capsules.
  • these polymers mention may be made of polysaccharides (cellulose, starch, alginates, chitosan, etc.) and their derivatives. This addition can be done either hot or at room temperature at the end of the interfacial polymerization step.
  • the wall of the microcapsules can also be modified by adding a radical initiator either in the aqueous phase or in the organic phase (oily).
  • a radical initiator either in the aqueous phase or in the organic phase (oily).
  • the addition to the organic phase can be done before and / or after the preparation of the PBAE wall. If the addition is made afterwards, the free radical initiator can be diluted in acetone to promote transport into the microcapsules.
  • These initiators can be azo compounds (such as azobis-isobutyronitrile and its derivatives) or peroxide compounds (lauroyl peroxide, etc.).
  • initiators added to the aqueous phase they may in particular be water-soluble azo compounds (such as 2,2'-Azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride) or red-ox systems (ammonium persulfate or potassium in combination with potassium metabisulfate for example).
  • water-soluble azo compounds such as 2,2'-Azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride
  • red-ox systems ammonium persulfate or potassium in combination with potassium metabisulfate for example
  • Another way of modifying the wall of the microcapsules is to react the residual amine functions at the surface with water-soluble monofunctional acrylates.
  • water-soluble monofunctional acrylates which can be used, mention may be made of acrylic acid, 2-carboxyethyl acrylate, 2- (dimethylamino) ethyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, poly (ethylene glycol) acrylates, salt of potassium from 3-sulfopropyl acrylate.
  • surfactant it is possible in particular to use those which are cited in Encyclopedia of Chemical Technology, volume 8, pages 912 to 915, and which have a lipophilic hydrophilic balance (according to the HLB system) equal to or greater than 10.
  • macromolecular surfactants can also be used. Mention may be made, for example, of polyacrylates, methylcelluloses, carboxymethylcelluloses, optionally partially esterified or etherified polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylamide or synthetic polymers possessing anhydride or carboxylic acid functions such as ethylene / maleic anhydride copolymers.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • polyacrylamide polyacrylamide
  • synthetic polymers possessing anhydride or carboxylic acid functions such as ethylene / maleic anhydride copolymers.
  • polyvinyl alcohol can be used as a surfactant.
  • cellulose compounds can also be used directly in the form of their sodium salts, for example.
  • Pluronics type amphiphilic copolymers can also be used.
  • aqueous solutions containing 0.1 to 5% by weight of surfactant are used.
  • the size of the droplets is a function of the nature and the concentration of the surfactant and of the stirring speed, the latter being chosen all the greater the smaller the mean droplet diameters are desired.
  • the stirring speed during the preparation of the emulsion is 5,000 to 10,000 revolutions per minute.
  • the emulsion is usually prepared at a temperature between 15 ° C and 95 ° C.
  • the turbine agitation is stopped and the emulsion is stirred using a slower agitator of the common type, for example of the frame agitator type, typically at a speed of the same. around 150 to 1,500 revolutions per minute.
  • the process according to the invention thus leads to homogeneous and fluid suspensions containing, depending on the fillers introduced, generally from 20% to 80% by weight of microcapsules having an average diameter of 100 nm to 100 ⁇ m.
  • the diameter of the microcapsules can preferably be between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m, and even more preferably between 10 ⁇ m and 40 ⁇ m.
  • the microcapsules, and in particular their wall, according to the invention are (bio) degradable.
  • Biodegradation can be determined, for example, by one of the methods described in the document “OECD Guidelines for the Testing of Chemicals: Easy Biodegradability” (adopted by the OECD Council on July 17, 1992).
  • the manometric respirometry test (method 301 F) can be used.
  • this test is carried out on emptied and washed microcapsules, so that the biodegradation of the content of the microcapsules does not interfere with the test, the aim of which is to characterize the biodegradation of the material forming the wall of the microcapsules.
  • the microcapsule according to the invention shows a biodegradation of at least 80%, preferably at least 83%, in addition preferably at least 85%, measured after an incubation of 10 days using said method 301 F.
  • the microcapsules according to the invention preferably show a biodegradation of at least 90%, preferably of at least 95% , and even more preferably at least 98%.
  • Example 1 Preparation of perfumed microcapsules based on a diamine (HMDA)
  • the emulsion prepared above was introduced and stirred at a speed of 250 rpm.
  • the solution of diamine (Hexamethylene diamine HMDA) (0.17 g, 1.46 mmol) in 5 g of 2 wt% PVA solution was added dropwise using with a syringe and with stirring (250 rpm).
  • samples at different reaction times were taken and analyzed by optical microscopy and Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) in order to follow the formation of the microcapsules.
  • FTIR Fourier transform infra-red spectroscopy
  • the total amount of monomers used was ⁇ 0.56 g.
  • the essential oil / water mass ratio is equal to 0.24.
  • the analysis of the microcapsules can be done by microscopy after a drying step. This analysis ensures the stability of the microcapsules once isolated.
  • a second analysis consists of adding a few drops of fluorescent dye (Nile Red) to the dried microcapsules. Nile Red, a lipophilic chromophore which fluoresces only in an organic phase, makes it possible to verify that the core of the microcapsule still contains organic phase and that the microcapsules are filled.
  • FIG. 2 shows an optical microscopy image of the reaction medium after 5 h of reaction.
  • the microcapsules are spherical, with a diameter between about 10 ⁇ m and about 25 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows an optical micrograph of microcapsules dried on a glass slide. Their diameter is about 30 ⁇ m to 35 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows a micrograph of microcapsules dried on a glass slide in grazing light (on the left) and in fluorescent light (on the right) after adding a few drops of the fluorescent dye Nile Red. The intense emission under fluorescent light shows that the core of the microcapsule contains an organic phase.
  • thermochromic solution 10 ° blue
  • thermochromic solution 10 ° blue
  • magnetic stirring 350 rpm
  • the thermochromic solution was cooled, and when its temperature reached 50 ° C, the (multi) acrylate monomer (Dipentaerythritol penta- / hexa-acrylate mixture) (0.39 g, 0.71 mmol) is dispersed with magnetic stirring. (350 rpm). Stirring is continued until the solution becomes homogeneous.
  • thermochromic / organic monomer assembly was gradually added to the aqueous solution of the surfactant prepared beforehand (40 g, PVA 2% by mass); the mixture was homogenized using an Ultraturrax TM IKA T10 at 9500 rpm for 3 min at room temperature to form an emulsion (ii) Microencapsulation
  • the total amount of monomers used was ⁇ 0.56 g.
  • the thermochromic solution / water mass ratio is 0.24.
  • the dried microcapsules show a reversible color change with a reversible color change at a temperature of 10 ° C.
  • These same capsules can, moreover, be heated in an oven at 130 ° C. for 30 min without modification of their thermochromic properties (FIG. 7).
  • Example 3 Degradability test of a poly (beta-amino ester)
  • a first degradability test was carried out according to the following procedure:
  • the Hexamethylene diamine HMDA monomer (1.0 g, 8.6 mmol) was solubilized in THF (4.0 g) and added to a solution of the (multi) acrylate (trimethylolpropane triacrylate) monomer (1.8 g, 6.1 mmol) solubilized in 2.5 g of THF.
  • the mixture was placed in a pill container then put in an oil bath at 50 ° C.
  • the polymer recovered after reaction for 5 hours was washed three times with acetone and oven dried.
  • the degradation of the poly (beta-amino ester) was carried out according to the following protocol:
  • FIG 8 shows that the poly (beta-amino ester) dissolved in the aqueous phase, characterizing efficient degradation of the polymer under these accelerated degradation conditions.
  • Example 4 Preparation of perfumed microcapsules based on a triamine (TREN)
  • thermochromic solution 11.0 g of a thermochromic solution were introduced into a beaker and stirred while hot, the multi acrylate monomer (Dipentaerythritol penta- / hexa-acrylate mixture) (0.39 g, 0.74 mmol) was dispersed therein under restlessness.
  • the thermochromic / organic monomer assembly was gradually added to the aqueous solution of the surfactant prepared previously (40 g, PVA 2% by weight); the mixture was homogenized using Ultraturrax TM IKA T10 to form an emulsion.
  • the emulsion prepared above was introduced at a temperature of about 50 ° C to 60 ° C.
  • An aqueous solution of tris (2-aminoethyl) amine TREN (0.145 g, 0.99 mmol) in 5 g of 2 wt% PVA solution was added with stirring at a temperature between 50 ° C and 80 ° C.
  • Example 6 Preparation of microcapsules based on a biogenic monomer
  • Figure 10 shows an optical microscopy image of the capsules after 24 h of reaction.
  • the microcapsules are spherical, with an average diameter of between about 10 ⁇ m and about 30 ⁇ m.
  • Example 7 Preparation of microcapsules based on polyethylene imine (PEI)
  • FIG. 11 shows optical microscopy images of the capsules after 24 h of reaction.
  • the microcapsules are spherical, with an average diameter between about 10 ⁇ m and about 30 ⁇ m
  • microcapsules were applied to a sheet of paper, according to known methods, and used in a carbonless system.
  • Figure 12 shows the result, which is quite satisfactory.
  • thermochromic microcapsules based on the POSS @ octa monomer (acrylate)
  • thermochromic 20.0 g of thermochromic, and the polyoctahedral silsesquioxanes carried eight function acrylate (POSS @ octa (acrylate), CAS # 1620202-27-8, purchased from Hydridplastics, 1.48 g, 1.12 mmol) and Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene (BHT, 5.0 mg), were placed in a beaker. The mixture was hot solubilized with magnetic stirring. Stirring was continued until the solution became homogeneous.
  • PES @ octa (acrylate) CAS # 1620202-27-8
  • BHT Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene
  • thermochromic / POSS @ octa (acrylate) assembly was gradually added to the aqueous solution of the surfactant prepared previously (40 g, PVA 2% by mass); the mixture was homogenized using Ultraturrax TM IKA T10 to form an emulsion.
  • HMDA hexamethylene diamine
  • Figure 13 shows a ce photograph of the microcapsules.
  • thermochromic microcapsules based on the POSS @ octa monomer (acrylate) with meta-xylylenediamine
  • thermochromic 10.0 g of thermochromic, and the polyoctahedral silsesquioxanes carried eight function acrylate (POSS @ octa (acrylate), CAS # 1620202-27-8, purchased from Hydridplastics, 1.50 g, 1.12 mmol) and Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene (BHT, 5.0 mg), were placed in a beaker. The mixture was hot solubilized with magnetic stirring. Stirring was continued until the solution became homogeneous.
  • PES @ octa (acrylate) CAS # 1620202-27-8
  • BHT Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene
  • thermochromic / POSS @ octa (acrylate) assembly was gradually added to the aqueous solution surfactant prepared previously (40 g, PVA 2% by weight); the mixture was homogenized using an Ultraturrax TM IKA T10 to form an emulsion.
  • the emulsion prepared above was introduced.
  • the solution of meta- xylylenediamine (CAS No. 1477-55-0, 0.60 g, 3.01 mmol) in 3 mL of water was added dropwise using a syringe and with stirring. . It was allowed to react at 65 ° C for 1 h and at 80 ° C for 17 h.
  • thermochromic microcapsules based on the POSS @ octa monomer (acrylate) with POSS @ octammonium and hexamethylene diamine (HDMA)
  • thermochromic 10.0 g of thermochromic, and the eight-functional polyoctahedral silsesquioxanes acrylate (POSS @ octa (acrylate), CAS # 1620202-27-8, purchased from Hydridplastics, 1.40 g, 1.06 mmol) and Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene (BHT, 5.0 mg), were placed in a beaker. The mixture was hot solubilized with magnetic stirring. Stirring was continued until the solution became homogeneous.
  • PES @ octa (acrylate) CAS # 1620202-27-8
  • BHT Thermal Inhibitor Butylated HydroxyToluene
  • thermochromic / POSS @ octa (acrylate) assembly was gradually added to the aqueous solution of the surfactant prepared previously (40 g, PVA 2% by mass); the mixture was homogenized using Ultraturrax TM IKA T10 to form an emulsion.
  • HMDA Hexamethylene diamine
  • POSS @ (octa) ammonium CAS no 150380-11-3, purchased from Hydridplastics, 0.30 g, 0.26 mmol
  • potassium carbonate 0.16 g, 1.16 mmol
  • Figure 14 shows a photograph of these microcapsules.
  • a batch of microcapsules prepared according to Example 8 was supplied.
  • the dry microcapsules but containing essential oil (Eucalyptus) were subjected to the biodegradability test described in document OECD 301 (“OECD Guideline for the Testing of Chemicals: Easy Biodegradability”) using the method 301 F (Manometric respirometry test). After an incubation period of nineteen days the percentage of biodegradation was 83%.
  • FIG. 15 shows the change in the percentage of biodegradation as a function of time, over a period of 19 days.
  • Curve (b) corresponds to the microcapsule, while curve (a) corresponds to a reference product (sodium acetate) treated separately under the same biodegradation conditions.
  • a batch of microcapsules prepared according to Example 8 was supplied.
  • the microcapsules were opened, emptied and washed. Then they were subjected to the biodegradability test described in document OECD 301 ("OECD Guideline for Testing of Chemicals: Easy Biodegradability") using method 301 F (Manometric Respirometry Test). After an incubation period of 28 days the percentage of biodegradation was 93%.
  • Figure 16 shows the change in the percentage of biodegradation over time.
  • Example 16 Preparation of perfumed microcapsules based on a multiamine (Pentaethylenehexamine)
  • the total amount of the monomers used was 2.3 g.
  • the perfume / water mass ratio is equal to 0.55.
  • Figure 17 shows a photograph of these microcapsules.
  • Example 18 Preparation of perfumed microcapsules with a cellulose fiber coating
  • the emulsion prepared above was introduced and stirred at a speed of 250 rpm.
  • the m-xylylenediamine solution (0.80 g, 5.88 mmol) in 5.0 g of 2 wt% PVA solution was added dropwise using a syringe and with stirring (250 rpm).
  • the reaction mixture is kept under stirring for 5 h at 65 ° C and 1 h at 80 ° C.
  • the total amount of the monomers used was 2.3 g.
  • the essential oil / water mass ratio is equal to 0.5.
  • cellulose microfiber (Exilva F 01-L) was preheated to a temperature of between 65 ° C and 70 ° C then introduced into the hot slurry with stirring. The mixture is homogenized while hot with stirring for 30 min and for 2 h at room temperature.
  • a cotton fiber grip test was carried out: a cotton fiber was wet beforehand and then soaked in the slurry. After vigorous and careful washing in water to simulate rinsing, the fiber was dried at room temperature.
  • Figure 18 shows a photograph (image (b)) of a cotton fiber after soaking in a slurry solution and then drying for microcapsules whose surface has been modified.
  • the coating improves the grip of microcapsules on cotton fiber, compared to microcapsules without coating (image (a)).

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Abstract

Procédé de fabrication de microcapsules renfermant une substance dite active, procédé dans lequel : on approvisionne une solution aqueuse d'un tensioactif, une phase huileuse comprenant ladite substance active et au moins un premier monomère X, et une phase polaire comprenant au moins un deuxième monomère Y; on prépare une émulsion de type O/W par ajout de ladite phase huileuse à ladite solution aqueuse du tensioactif; on ajoute à ladite émulsion O/W ladite phase polaire, pour permettre l'obtention d'un polymère par polymérisation desdits monomères X et Y; on isole à partir de ce mélange réactionnel lesdites microcapsules comportant une paroi formée par ledit polymère et renfermant ladite substance active; ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit polymère est un poly(beta-amino ester).

Description

PROCEDE DE PREPARATION DE MICROCAPSULES BIODEGRADABLES ET
MICROCAPSULES AINSI OBTENUES
Domaine technique de l’invention
La présente description concerne le domaine des microcapsules, et plus particulièrement les procédés de fabrication de microcapsules en vue d’enfermer des substances actives telles que des huiles essentielles. Plus précisément elle a pour objet une méthode de préparation de microcapsules biodégradables. Cette méthode procède par polymérisation interfaciale de composés multifonctionnels conduisant à des poly(beta-amino ester)s. L’invention concerne également les microcapsules biodégradables obtenues par cette méthode.
Etat de la technique
La microencapsulation est un procédé permettant de protéger une substance réactive, sensible ou volatile (appelée ici « principe actif ») dans une capsule dont la taille peut varier du nanomètre au micromètre. Le cœur de la capsule est donc isolé de son environnement extérieur par une paroi. Cela permet de retarder son évaporation, son relargage ou sa détérioration ; il existe de nombreuses applications qui exploitent ces effets techniques lorsque les microcapsules sont incorporées dans une formulation complexe ou appliquées sur un produit.
A titre d’exemple, les microcapsules peuvent servir pour répandre de manière contrôlée le principe actif qu’elles renferment, qui peut notamment être un actif biocide, un insecticide, un désinfectant, ou une fragrance ; cela peut se faire par diffusion à travers la paroi ou sous l’influence d’une force externe qui rompt la paroi. Dans certaines applications la libération du principe actif se fait sous l’influence d’une force externe qui casse la paroi des microcapsules ; ainsi on peut libérer une colle (voir par exemple WO 03/016369 - Henkel), ou un réactif (voir par exemple WO 2009/115671 - Catalyse).
Dans d’autres applications, le contenu de la microcapsule ne peut pas s’échapper mais son changement de couleur sous l’effet d’une variation de température (thermochromie) ou d’irradiation UV (photochromie) est visible de l’extérieur (voir par exemple WO 2013/114 025 - Gem Innov, ou WO 2007/070118 - Kimberly-Clark, ou EP 1 084 860 - The Pilot Ink Co.). II existe plusieurs techniques pour préparer des microcapsules. Les principales sont l’atomisation (en anglais : « spray-drying »), la polymérisation interfaciale, l’évaporation de solvant, l’auto-assemblage de polymères par la technique Layer by Layer (LbL) et la préparation de colloïdosomes. Toutes ces techniques permettent d’obtenir des microcapsules stables d’un diamètre moyen de 10 pm. La polymérisation interfaciale est néanmoins la technique prépondérante car elle permet la préparation rapide et en une seule étape de microcapsules dont la paroi est suffisamment solide pour que celles-ci soient isolées et ainsi être utilisés dans de nombreuses applications.
La formation des microcapsules par polymérisation interfaciale se fait habituellement en 4 étapes : (i) Préparation d’une première phase contenant le principe actif (par exemple une huile essentielle) et un monomère organosoluble ; (ii) Formation d’une émulsion par dispersion de première phase dans un milieu aqueux contenant le tensioactif, et qui représente la deuxième phase ; (iii) Addition du monomère hydrosoluble dans la deuxième phase ; (iv) Formation et maturation de la membrane par réaction des monomères par polycondensation à l’interface.
Plusieurs familles de polymère sont classiquement utilisées pour fabriquer la paroi des microcapsules (Perignon, C. et al., Journal of Microencapsulation 2015, 32 (1), 1-15), comme les polyamides (PA), les polyuréthanes (PU) ou les polyurées. L’élaboration des parois des microcapsules en PA utilise en général des monomères du type diamine (hexamethylène diamine par exemple) et chlorure d’acyle (le chlorure de sebacoyle par exemple), tandis que celles en PU fait appel à des monomères du type di-isocyanate (H DI, IPDI etc.) et diols. Dans le cas des polyurées, on utilise des monomères du type di- isocyanate et diamine ou des di-isocyanates seuls dont l’hydrolyse à l’interface produit les amines permettant la synthèse de la fonction urée.
A titre d’exemple, le document WO 2009/115671 précité décrit la formation de parois de microcapsule par polycondensation interfaciale, à partir de différents mélanges de monomères : hexaméthylène diisocyanate (HMDI) et éthylène diamine ; tétraéthylorthosilicate (TEO) et 3-(triméthoxysilyl)propylméthacrylate (MPTS) ; 2,4- tolylènediisocyanate (TDI) et 1 ,3 phénylènediamine ; 2,4-toluène diisocyanate et 1 ,3- phénylène diamine.
Il existe déjà quelques travaux rapportant la préparation de microcapsules par polymérisation interfaciale utilisant d’autres types de polymères. On peut citer par exemple, les travaux de J. Bernard sur la préparation de glyconanocapsules par cycloaddition d’azoture - alcyne catalysée par le cuivre (R. Roux et al., J. ACS Macro Lett. 2012, 1 (8), 1074-1078), ou les travaux de K. Landfester (Siebert et al. Chem. Commun. 2012, 48, 5470-5472). L. Shi et al. (J. Appl. Polym. Sci. 2016, 133 (36), 168-7) ainsi que D. Patton et al. (ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (4), 3288-3293) qui ont aussi pu préparer des microcapsules par chimie thiol-ene amorcées par respectivement une base et un photoamorceur. Un assez large spectre de matériaux polymériques s’offre donc à l’homme du métier pour sélectionner le type de microcapsule approprié pour une utilisation donnée. Ainsi, les microcapsules sont déjà utilisées dans de nombreuses applications techniques, mais leur potentiel d’application n’a pas encore entièrement reconnu, et c’est un secteur fortement émergent appelé à croître de manière significative à partir du moment où la paroi des microcapsules répond aux critères de plus en plus sévères en termes de toxicité et de recyclabilité. Cependant, les microcapsules représentent des micro parti eu les de matières polymériques. Depuis quelques années, les microparticules de matières polymériques ont été identifiées comme un domaine de préoccupation écologique, à cause de leur large dissémination dans les écosystèmes, dans les sols, dans les écosystèmes aquatiques et maritimes, jusqu’à des endroits éloignés de leur lieu d’introduction dans l’écosystème. Cette large dissémination nuit non seulement d’une manière générale aux organismes présents dans ces écosystèmes, mais pourrait également avoir des conséquences néfastes pour la santé humaine. On voit déjà annoncer des règlementations de plus en plus sévères qui restreignent l’utilisation de matières plastiques susceptibles de former des microparticules lors de leur dégradation en situation dans un milieu naturel, et a fortiori de matières plastiques utilisées d’emblée sous la forme de microparticules.
Pour des raisons écologiques il peut paraître antinomique de chercher à développer un nouveau produit consistant en microparticules polymériques. Il est par conséquent apparu désirable de disposer de microcapsules en matériau polymérique dégradable. On note que les microcapsules, utilisées dans de nombreuses applications spéciales et susceptibles d’être incorporées dans de nombreux produits d’usage courant (tels que des matières textiles, des produits cosmétiques ou phytosanitaires) ou d’usage technique (tels que des peintures, vernis, encres), ne feront normalement pas l'objet d’une collecte en fin de vie, et ne peuvent donc faire l’objet d’une biodégradation par compostage, comme cela peut être envisagé pour des produits plastiques collectés. Ainsi, la dégradabilité des matières plastiques qui constituent la paroi des microcapsules ne peut pas se baser sur les mécanismes chimiques qui se déroulent lors d’un compostage. Dans ce contexte, la question de savoir si la dégradabilité des microcapsules fait intervenir un mécanisme biologique est assez peu importante ; ce qui importe est leur dégradabilité dans un écosystème, quel que soit le mécanisme chimique de cette dégradation. A titre d’exemple, une fermentation serait une biodégradation, alors qu’une simple dégradation dans un écosystème sous l’effet de la lumière pourrait être une réaction photochimique indépendante de l’écosystème ; en réalité la situation sera souvent mixte, surtout si la dégradation procède par étapes. Nous utilisons dans ce qui suit l’expression « (bio)dégradable » pour désigner la caractéristique d’un matériau de se dégrader dans un milieu naturel à une échelle assez courte (de l’ordre de semaines ou de l’année), en fonction des caractéristiques de ce milieu naturel et de l’exposition du matériau aux différents agents présents dans ce milieu naturel.
On constate que toutes les microcapsules développées précédemment conduisent à la préparation de chaînes de polymère (polyamide, polyurée, polyuréthane, etc.) qui seront soit enchevêtrées physiquement dans le cas d’une réaction entre composés bifonctionnels, ou alors réticulées dans le cas d’un ou de plusieurs composés multifonctionnels (fonctionnalité ³ 3). Dans tous les cas, les parois ne sont pas (bio)dégradables du fait de la nature de la chaîne de polymère.
Le problème que la présente invention cherche à résoudre est de présenter un nouveau type de microcapsules, facile à synthétiser, sans faire appel à des matières premières toxiques et/ou coûteuses, qui soit (bio)dégradable en milieu naturel, qui soit utilisable avec un grand nombre de principes actifs, et qui procure une bonne protection externe au principe actif qu’elle a vocation à renfermer.
Objet de l’invention
Lors de leurs travaux de recherche, les inventeurs ont trouvé qu’une possibilité pour obtenir des microcapsules dégradables serait de préparer des parois en polyester, qui est un polymère connu pour sa (bio)dégradabilité. La littérature montre que des études ont déjà été menées sur cette thématique, et il a été montré que la vitesse de réaction entre des chlorures d’acide et des diols était très lente. Ce système est ainsi peu adapté à la polymérisation interfaciale (voir E.M. Hodnett et D.A. Holmer, J Polym Sci, 1962, 58, 1415— 21). Des conditions particulières comme l’utilisation du bisphenol A comme diol et/ou une réaction à pH très élevé a permis d’obtenir des microcapsules (voir W. Eareckson, J Polym Sci, 1959, 399-406 ; voir aussi P.W. Morgan et S.L. Kwolek, . J Polym Sci, 1959, 299-327) mais ces conditions sont trop contraignantes pour de nombreuses phases internes et/ou applications. De plus la lenteur des réactions de polymérisation nuit à leur usage industriel en termes économiques et de cycles de productions courts ou même en continu.
Ainsi, les inventeurs n’ont pas poursuivi dans cette voie.
Selon l’invention, le problème est résolu en utilisant des microcapsules en poly(beta- amino)ester (abrégé ici PBAE). Selon l’invention, ces microcapsules sont synthétisés en une seule étape réactionnelle par une réaction d’addition des fonctions amine sur des fonctions acrylate (réaction connue sous le nom « addition de Michael »), par polymérisation interfaciale. Cette réaction conduit à la micro-encapsulation de la phase organique sans formation de sous-produits (voir le schéma réactionnel sur la figure 6). La présence de fonctions ester dans le squelette du PBAE confère au polymère de bonnes propriétés de dégradation par hydrolyse.
Les poly(beta-amino ester)s sont connus en tant que tels et ont été beaucoup utilisés ces dernières années (Lynn, D. M.; Langer, R. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122 (44), 10761- 10768. ; Liu, Y.; Li, Y.; Keskin, D.; Shi, L. Adv. Healthcare Mater. 2018, 2 (2), 1801359-24) grâce à leur propriétés de biocompatibilité et biodégradabilité, et ils représentent aujourd’hui une famille de matériaux qui connaît de nombreuses applications comme biomatériaux (par exemple comme vecteur de molécules anticancéreuses, comme matériau antimicrobien, et pour l’ingénierie tissulaire).
Les domaines d’application des poly(beta-amino ester)s sont très vastes (voir figure 9).
D’une manière générale, on sait que les réactions de type addition aza-Michael peuvent être effectuées dans une large gamme de solvants allant des solvants apolaires halogénés (dichloromethane ou chloroforme par exemple) aux solvants polaires comme le diméthylsulfoxide (DMSO) par exemple (Liu, Y.; Li, Y.; Keskin, D.; Shi, L. Adv. Healthcare Mater. 2018, 2 (2), 1801359-24). En pratique, les PBAEs sont essentiellement préparés en solution et sont ensuite formulés pour produire par exemple des micelles, particules, gel/hydrogels, ou films (technique dite de Layer by Layer). Des oligo-PBAEs ont aussi été réticulés dans un second temps soit par photopolymérisation (Brey, D. M.; Erickson, I.; Burdick, J. A. J. Biomed. Mater. Res. 2008, 85A (3), 731-741.7), soit en présence de di- isocyanates.
On sait également que les PBAE linéaires ou réticulés sont relativement stables en milieu neutre mais se dégradent plus rapidement par hydrolyse des fonctions ester à pH acide et/ou basique. Ce phénomène d’hydrolyse conduit à la libération de petites molécules comme des bis^-amino acid)s et des diols lorsque des PBAE linéaires sont utilisés; ces molécules sont connues pour être non toxiques vis à vis des cellules mammaliennes, et de faible influence sur le métabolisme des cellules saines.
Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, les microcapsules présentant une paroi en PBAE sont synthétisées par polymérisation interfaciale. Plus précisément, selon l’invention le problème est résolu par un procédé dans lequel on utilise la réaction de polycondensation de Michael entre des fonctions amine et des fonctions acrylate pour obtenir des Poly(E3eta-Amino Esters) (PBAE) par polymérisation interfaciale. Les inventeurs ont trouvé que ce procédé, applicable à différents principes actifs à encapsuler, permet de préparer des microcapsules stables pouvant être isolées par séchage et qui ont la propriété d’être (bio)dégradables.
Le procédé de microencapsulation selon l’invention comprend les étapes suivantes :
(a) Dispersion d’un ou de plusieurs composés possédant au moins deux fonctions acrylate dans une solution organique (appelée ici aussi « phase huileuse », dans le contexte d’une émulsion) constituant la phase à encapsuler (et comprenant, le cas échéant, le principe actif) ;
(b) Addition d'un excès par rapport au volume précédent d’une phase aqueuse comprenant un ou plusieurs tensioactifs, suivie d’une émulsification ;
(c) Addition à l’émulsion obtenue à l’étape (b) d’un ou de plusieurs composés comportant au moins une fonction amine primaire et/ou deux fonctions amines secondaires et réaction de polymérisation à une température comprise entre environ 20 °C et 100 °C ;
(d) Collecte, lavage et séchage des microcapsules.
Ainsi, un premier objet de l’invention est un procédé de fabrication de microcapsules renfermant une substance dite active, procédé dans lequel :
on approvisionne une solution aqueuse d’un tensioactif, une phase huileuse comprenant ladite substance active et au moins un premier monomère X, et une phase polaire comprenant au moins un deuxième monomère Y ;
on prépare une émulsion de type O/W par ajout de ladite phase huileuse à ladite solution aqueuse du tensioactif ;
on ajoute à ladite émulsion O/W ladite phase polaire, pour permettre l’obtention d’un polymère par polymérisation desdits monomères X et Y ;
on isole à partir de ce mélange réactionnel lesdites microcapsules comportant une paroi formée par ledit polymère et renfermant ladite substance active ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit polymère est un poly(beta-amino ester).
Ledit premier monomère X est sélectionné parmi les (multi)acrylates, notamment les (multi)acrylates de formule X’-(-0(C=0)-CH=CH2)n avec n ³ 2 et où X représente une molécule sur laquelle est greffée n motifs acrylate. Ledit premier monomère X est, de préférence, sélectionné parmi les (multi)acrylates de formule X’-(-0(C=0)-CH=CH2)n avec n ³ 4 et où X’ représente une molécule sur laquelle est greffée n motifs acrylate. Plus précisément, il est avantageusement sélectionné dans le groupe formé par :
les diacrylates, et de préférence ceux décrits dans l’article de Nayak et al. (Polymer- Plastics Technology and Engineering, 2018, 57, 7, 625-656) ;
les triacrylates, notamment le C15O6H20 (n° CAS 15625-89-5, i.e. le triacrylate de triméthylolpropane), les tetraacrylates, les pentaacrylates, les hexaacrylates, les mélanges entre ces différents acrylates de type 0[CH2C(CH20R)3]2 où R est H ou COCH=CH2 ;
les (multi)acrylates décrits dans l’article de Nayak et al. (Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2018, 57, 7, 625-656) ;
les polymères portant des fonctions acrylates pendantes ;
les oligo PBAE fonctionnels, préparés par exemple par réaction de composés diacrylates avec une amine primaire fonctionnelle et/ou une diamine secondaire fonctionnelle ;
le mélange de différents composés décrit ci-dessus.
Ledit deuxième monomère Y est sélectionné parmi les amines. Plus précisément, il est avantageusement sélectionné dans le groupe formé par :
les amines primaires R-NH2;
les diamines primaires de type NH2(CH2)nNH2 où n est un nombre entier qui peut typiquement être compris entre 1 et 20, et qui est de préférence 2 ou 6 ;
les diamines secondaires comprenant un cœur aromatique comme la meta-xylylène diamine ;
les (multi)amines primaires comme la tris(2-aminoéthyl)amine ;
les diamines secondaires comme la pipérazine ;
les (multi)amines contenant des fonctions amines primaires et secondaires comme la tetraéthylène pentamine ;
les polymères contenant des fonctions amines primaires et ou secondaires comme le polyéthylène imine.
Dans un mode de réalisation ladite polymérisation desdits monomères se fait sous agitation à une température comprise entre 20 °C et 100 °C, et de préférence entre 30°C et 90 °C.
Un autre objet de l’invention est une microcapsule renfermant une substance dite active, caractérisée en ce que sa paroi est formée de poly(beta-amino ester). Encore un autre objet de l’invention est une microcapsule susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention.
La paroi des microcapsules ainsi préparées peut être modifiée par l’ajout d’une couche de polymère déposée en surface des microcapsules. Ce dépôt peut se faire par l’ajout d’un polymère dispersé dans une phase aqueuse qui va se déposer à la surface des capsules. Parmi ces polymères on peut citer les polysaccharides (par exemple la cellulose, l’amidon, les alginates, le chitosan) et leurs dérivés.
Une autre possibilité pour modifier la paroi des microcapsules est de la modifier par ajout d’un amorceur radicalaire soit dans la phase aqueuse soit dans la phase huileuse. Une dernière possibilité est de faire réagir les fonction amines résiduelles en surface avec des acrylates monofonctionnels hydrosolubles pour modifier l’état de surface des microcapsules.
Figures
Les figures 1 à 18 illustrent certains aspects de l’invention, mais ne limitent pas leur portée. Les figures 2 à 5 se rapportent à l’exemple 1. La figure 7 se rapporte à l’exemple 2, la figure 8 à l’exemple 3, la figure 8 à l’exemple 3, la figure 10 à l’exemple 6, la figure 1 1 à l’exemple 7, la figure 12 à l’exemple 10, la figure 13 à l’exemple 1 1 , la figure 14 à l’exemple 13, la figure 15 à l’exemple 14, la figure 16 à l’exemple 15, la figure 17 à l’exemple 17 et la figure 18 à l’exemple 18. Les figures 2 à 5 et 10 à 14 sont des micrographies optiques ; la barre horizontale en bas à gauche de l’image représente une longueur de 50 pm. Les figures 17 et 18 sont également des micrographiques optiques.
[Fig. 1] montre le schéma général du procédé selon l’invention. Les repères numériques à quatre chiffres désignent des étapes de ce procédé.
[Fig. 2] montre une micrographie optique de microcapsules obtenues selon l’exemple 1 , après 5 heures de réaction.
[Fig. 3] montre un spectre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) de la paroi des microcapsules isolées dans les slurry après 6 heures de réaction.
[Fig. 4] montre une micrographie optique de microcapsules obtenues selon l’exemple 1 , après séchage sur lame de verre.
[Fig. 5] montre deux micrographies optiques de microcapsules obtenues selon l’exemple 1 , après séchage sur lame de verre. La micrographie de gauche a été obtenue en lumière rasante, la micrographie de droite sous lumière fluorescente après ajout de quelques gouttes d’un colorant fluorescent. [Fig. 6] illustre le schéma réactionnel de la réaction selon l’invention.
[Fig. 7] montre que les microcapsules thermochromiques sont stables après un passage au four de 30 min et que leur fonction thermochromique est conservée.
[Fig. 8] illustre la dégradabilité des parois de la microcapsule par un test de dégradation accéléré.
[Fig. 9] illustre les différents domaines d’application des poly(beta-amino ester)s.
[Fig. 10] montre que les microcapsules sont stables après 24 h, et leur diamètre moyen est compris entre 10 pm et 30 pm.
[Fig. 1 1] montre une image similaire à la figure 10, et conduit à la même conclusion, pour un autre exemple.
[Fig. 12] monter le résultat de l’utilisation des microcapsules selon l’invention dans un papier autocopiant.
[Fig. 13] montre une photographie de microcapsules selon encore un autre exemple de l’invention.
[Fig. 14] montre une photographie de microcapsules selon encore un autre exemple de l’invention.
[Fig. 15] montre le pourcentage de biodégradation en fonction du temps pour des microcapsules sèches selon l’invention.
[Fig. 16) montre le pourcentage de biodégradation en fonction du temps pour la paroi des microcapsules selon l’invention.
[Fig. 17] montre une photographie de microcapsules selon encore un autre exemple de l’invention.
[Fig. 18] montre une photographie d’une fibre de cotton qui a été mise en contact avec des microcapsules selon l’invention dont la surface a été modifiée (b) ou non (a).
Description détaillée
Dans la description détaillée qui suit, des modes de réalisation de la présente description, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de la présente invention, et afin de permettre à l’homme du métier d’exécuter l’invention. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que la présente description peut être mise en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de surcharger inutilement la description. La figure 1 montre un schéma général du procédé selon l’invention. On prépare la solution aqueuse du tensioactif (1000). On prépare également une solution organique (appelée aussi « phase huileuse ») comprenant la phase à encapsuler (qui comprend la substance dite active) et le monomère X (1002). A l’étape 1010 on ajoute cette phase huileuse 1002, qui est une solution organique, à ladite solution aqueuse 1000 et obtient à l’étape 1020 une émulsion 1022 de type O/W (huile dans l’eau, en anglais Oil in Water, selon une désignation connue de l’homme du métier). Dans cette émulsion, ladite solution organique est la phase dite huileuse (phase O). A l’étape 1030 on ajoute à ladite émulsion 1022 une solution aqueuse du monomère Y 1024. A l’étape 1040 la réaction de polymérisation conduit à un mélange réactionnel 1042 à partir duquel se forme ensuite à l’étape 1050 un mélange hétérogène 1052 appelé slurry qui comprend, en suspension à base aqueuse, les microcapsules renfermant la phase à encapsuler.
L’étape 1050 implique en règle générale une température du mélange réactionnel 1042 supérieure à environ 20 °C, typiquement comprise entre 20 °C et 100 °C. On préfère une température comprise entre environ 30 °C et environ 90 °C, et encore plus préférentiellement de préférence entre environ 40 °C et environ 80 °C.
Ce procédé peut être appliqué à différents monomères X et Y. Selon l’invention le monomère X est un (multi)acrylate, et le monomère Y est une amine, de préférence, une amine primaire et/ou une (multi)amine primaire et/ou une diamine secondaire et/ou un composé possédant des amines primaires et secondaires.
On entend par (multi)acrylate, tout composé de formule X’-(-0(C=0)-CH=CH2)n avec n³2 et où X’ représente une molécule sur laquelle est greffée n motifs acrylate.
On entend par (multi)amine primaire, tout composé comprenant au moins deux fonctions amine primaire.
Comme acrylate on peut utiliser par exemple les triacrylates (tels que le C15O6H20, n° CAS 15625-89-5) ; les tetraacrylates ; les pentaacrylates ; les hexaacrylates ; les mélanges entre ces différents acrylates cités. On peut utiliser par exemple des molécules de type 0[CH2C(CH20R)3]2 OÙ R peut être H ou COCH=CH2.
Comme amine, on peut utiliser à titre d’exemple des molécules de type NH2(CH2)nNH2 où n est un nombre entier qui peut typiquement être compris entre 1 et 20, et qui peut être par exemple 2 (éthylène diamine) ou 6 (hexaméthylène diamine, numéro CAS : 124-09-4). On peut également utiliser la pipérazine, la mefa-xylylène diamine, la pentaéthylènehexamine, la tris(2-aminoéthyl)amine (TREN) ou le polyéthylène imine (PEI).
La nature et la concentration des amines et des acrylates peut être variée. Le rapport des fonctions réactives des monomères Y (-NH) et X (acrylate) est avantageusement supérieur à 1 , et typiquement compris entre 1 et 5, de préférence entre 1 ,2 et 3,8.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les monomères X (acrylate) et/ou Y (amine) sont biosourcés.
La figure 6 montre le schéma réactionnel de la réaction d’addition aza-Michael entre une amine secondaire et un acrylate (réaction (a)) et de la réaction de polyaddition entre un composé acrylate multifonctionnel et un composé multi-amine conduisant à un polymère réticulé (réaction (b)).
Le cœur organique des microcapsules peut être constitué d’une phase organique comprenant une substance active. Lors de la formation de la microcapsule, cette phase organique (huileuse) sera enfermée par la paroi polymérique de la microcapsule, qui la protège de l’environnement. Ladite phase organique (huileuse) peut consister en ladite substance active, ou ladite substance active peut faire partie de ladite phase organique (huileuse), dans laquelle elle peut notamment être dissoute. L’expression « substance active » se réfère ici au but précis dans lequel les microcapsules ont vocation à être utilisées ; en règle générale, compte tenu de la spécificité du produit microcapsule, ce but est toujours connu lors de leur fabrication.
La substance active peut être sélectionnée notamment parmi les huiles (pures ou contenant possiblement d’autres molécules en solution ou en dispersion), telles que les huiles essentielles, les huiles naturelles et alimentaires, les huiles végétales et alimentaires, les alcanes liquides, les esters et acides gras, ou encore parmi les colorants, les encres, les peintures, les substances thermochromiques et/ou photochromiques, les fragrances, les produits à effet biocide, les produits à effet foncigide, les produits à effet antiviral, les produits à effet phytosanitaire, les principes actifs pharmaceutiques, les produits à effet cosmétique, les colles ; ces principes actifs étant éventuellement en présence d’un vecteur organique.
On peut utiliser par exemple et de façon non limitative des extraits de distillation de produits naturels telles que les huiles essentielles d’eucalyptus, de citronnelle, de lavande, de menthe, de cannelle, de camphrier, d’anis, de citron, d’orange, qui peuvent avoir été obtenues par extraction à partir de matière végétale, ou par synthèse.
On peut également utiliser d’autres substances telles que des alcanes à long chaîne (par exemple le tetradécane), qui peuvent contenir des molécules lipophiles en solution. De manière générale, et suivant la fonction recherchée pour les microcapsules, il est possible d’utiliser tout composé hydrophobe, qui sera ainsi naturellement dispersé sous forme d’émulsion de gouttes hydrophobes en suspension dans une phase aqueuse.
Peuvent être incorporés dans la microcapsule de nombreux additifs permettant une meilleure protection de la phase organique (huileuse) à encapsuler, contre les rayonnements infrarouges, les rayonnements ultra-violets, la pénétration involontaire d’un gaz spécifique ou l’oxydation.
La paroi des microcapsules peut être modifiée par l’ajout d’un revêtement en surface de celles-ci. Ce dépôt peut se faire par l’ajout d’un polymère dispersé dans une phase aqueuse qui va se déposer à la surface des capsules. Parmi ces polymères on peut citer les polysaccharides (cellulose, amidon, alginates, chitosan, etc.) et leurs dérivés. Cet ajout peut se faire soit à chaud soit à température ambiante à la fin de l’étape de polymérisation interfaciale.
La paroi des microcapsules peut aussi être modifiée par ajout d’un amorceur radicalaire soit dans la phase aqueuse soit dans la phase organique (huileuse). L’ajout dans la phase organique peut se faire avant et/ou après la préparation de la paroi de PBAE. Si l’ajout est fait après, l’amorceur radicalaire peut être dilué dans de l’acétone pour favoriser le transport dans les microcapsules. Ces amorceurs peuvent être des composés azoïques (tels que le azobis-isobutyronitrile et ses dérivés) ou des composés péroxydiques (peroxyde de lauroyle, etc.). Dans le cas d’amorceurs rajoutés dans la phase aqueuse, il peut s’agir notamment de composés azoïques hydrosolubles (tels que 2,2'-Azobis(2- méthylpropionamidine)dihydrochloride) ou de systèmes red-ox (persulfate d’ammonium ou de potassium en combinaison avec le métabisulfate de potassium par exemple). Sous atmosphère inerte, les radicaux issus de la décomposition des amorceurs radicalaires peuvent s’additionner sur les fonctions acrylates résiduelles de la paroi de PBAE et la renforcer mécaniquement et/ou modifier sa polarité.
Une autre manière de modifier la paroi des microcapsules est de faire réagir les fonctions amines résiduelles en surface avec des acrylates monofonctionnels hydrosolubles. Sans vouloir être liés par cette hypothèse, les inventeurs pensent que par addition de Michael, on formerait une liaison amino-ester et ancrerait en surface un groupe fonctionnel. Parmi les acrylates hydrosolubles utilisables on peut citer l’acide acrylique, l’acrylate de 2- carboxyéthyle, le 2-(diméthylamino)éthyl acrylate, l’acrylate de 2-hydroxyéthyle, les acrylates de poly(éthylène glycol), le sel de potassium de l’acrylate de 3-sulfopropyle. Comme agent tensioactif, on peut notamment utiliser ceux qui sont cités dans Encyclopedia of Chemical Technology, volume 8, pages 912 à 915, et qui possèdent une balance hydrophile lipophile (selon le système HLB) égale ou supérieure à 10.
D’autres tensioactifs macromoléculaires peuvent aussi être utilisés. On peut citer par exemple les polyacrylates, les méthylcelluloses, les carboxyméthylcelluloses, l'alcool polyvinylique (PVA) éventuellement partiellement estérifié ou éthérifié, le polyacrylamide ou les polymères synthétiques possédant des fonctions anhydride ou acide carboxylique tels que les copolymères éthylène/anhydride maléique. De manière préférée, l'alcool polyvinylique peut être utilisé comme agent tensioactif.
Il peut être nécessaire, par exemple dans le cas de solutions aqueuses d'un composé cellulosique, d'ajouter un peu d'hydroxyde alcalin tel que la soude, afin de faciliter sa dissolution ; on peut également utiliser directement de tels composés cellulosiques sous la forme de leurs sels de sodium par exemple. Les copolymères amphiphiles de type Pluronics peuvent aussi être utilisés. Généralement on utilise des solutions aqueuses contenant de 0,1 à 5 % en poids de tensioactif.
La taille des gouttelettes est fonction de la nature et de la concentration du tensioactif et de la vitesse d'agitation, cette dernière étant choisie d'autant plus grande que l'on souhaite des diamètres moyens de gouttelettes plus faibles.
En général la vitesse d'agitation pendant la préparation de l'émulsion est de 5 000 à 10 000 tours par minute. L'émulsion est habituellement préparée à une température comprise entre 15 °C et 95 °C.
Généralement lorsque l'émulsion a été obtenue, on arrête l'agitation par turbine et on agite l'émulsion à l'aide d'un agitateur plus lent de type courant, par exemple du type agitateur cadre, typiquement à une vitesse de l'ordre de 150 à 1 500 tours par minute.
Le procédé selon l'invention conduit ainsi à des suspensions homogènes et fluides contenant, selon les charges introduites, généralement de 20 % à 80 % en poids de microcapsules ayant de 100 nm à 100 pm de diamètre moyen. Le diamètre des microcapsules peut être préférentiellement compris entre 1 pm et 50 pm, et encore plus préférentiellement entre 10 pm et 40 pm.
Les microcapsules, et en particulier leur paroi, selon l’invention sont (bio)dégradables. La biodégradation peut être déterminée par exemple par l’une des méthodes décrites dans le document « Lignes Directrices de l’OCDE pour les Essais de Produits Chimiques : Biodégradabilité Facile » (adopté par le conseil de l’OCDE le 17 juillet 1992). On peut utiliser en particulier l’essai de respirométrie manométrique (méthode 301 F). De préférence cet essai est mis en oeuvre sur des microcapsules vidées et lavées, afin que la biodégradation du contenu des microcapsules n’intérfère pas avec l’essai dont le but est de caractériser la biodégradation du matériau formant la paroi des microcapsules. De manière préférée la microcapsule selon l’invention, et/ou sa paroi, montre une biodégradation d’au moins 80 %, de préférence d’au moins 83 %, en plus préférentiellement d’au moins 85 %, mesurée après une incubation de 10 jours à l’aide de ladite méthode 301 F. Avec cette même méthode, après une incubation de 28 jours, les microcapsules selon l’invention montrent de préférence une biodégradation d’au moins 90 %, de préférence d’au moins 95 %, et encore plus préférentiellement d’au moins 98 %.
Exemples
Pour permettre à l’homme du métier de reproduire l’invention on donne ici des exemples de mise en œuvre ; ils ne limitent pas la portée de l’invention.
Exemple 1 : Préparation de microcapsules parfumées à base d’une diamine (HMDA)
(i) Préparation de l’émulsion
1 1 ,0 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placées dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,71 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation magnétique (350 rpm). L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène ; une étape de chauffage a été ajoutée si nécessaire. L’ensemble huile essentielle / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 à 9500 rpm pendant 3 min à température ambiante pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, préchauffé à 50 °C, l’émulsion préparée précédemment a été introduite et agitée à une vitesse de 250 rpm. Quand l’émulsion a atteint 50 °C, la solution de diamine (Hexamethylene diamine HMDA) (0, 17 g, 1 ,46 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation (250 rpm). Au cours de la réaction, des prélèvements à différents temps de réaction ont été effectués et analysés par microscopie optique et spectroscopie infra-rouge à transformé de Fourier (FTIR) afin de suivre la formation des microcapsules. La quantité totale des monomères utilisés était de ~ 0,56 g. L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport de fonctions - NH/acrylate = 1 ,6. Le ratio massique huile essentielle/eau est égal à 0,24.
L’analyse des microcapsules peut se faire par microscopie après une étape de séchage. Cette analyse permet de s’assurer de la stabilité des microcapsules une fois isolée. Une deuxième analyse consiste en l’ajout de quelques gouttes d’un colorant fluorescent (Nile Red) sur les microcapsules séchées. Le Nile Red, un chromophore lipophile qui ne fluoresce que dans une phase organique, permet de vérifier que le cœur de la microcapsule contient encore phase organique et que les microcapsules sont remplies.
La figure 2 montre une image de microscopie optique du milieu réactionnel après 5 h de réaction. Les microcapsules sont sphériques, avec un diamètre compris entre environ 10 pm et environ 25 pm. La figure 3 montre le spectre FTIR des microcapsules isolées d’un slurry après 6 h de réaction (après lavage à l’acétone, suivi de trois cycles de centrifugation et séchage à l’étuve). On remarque des vibrations caractéristiques de liaisons N-H vers 3300 cm-1 à 3400 cm-1 , ainsi que une bande étroite caractéristique d’une liaison C=0 vers 1727 cm 1.
La figure 4 montre une micrographie optique de microcapsules séchées sur lame de verre. Leur diamètre est d’environ 30 pm à 35 pm. La figure 5 montre une micrographie de microcapsules séchées sur lame de verre en lumière rasante (à gauche) et en lumière fluorescente (à droite) après ajout de quelques gouttes du colorant fluorescent Nile Red. L’émission intense sous lumière fluorescente montre que le cœur de la microcapsule contient une phase organique.
Exemple 2 : Préparation de microcapsules parfumées à base d’une diamine (HMDA)
(i) Préparation de l’émulsion
1 1 ,0 g d’une solution thermo-chromique (bleue 10°) ont été introduits dans un bêcher, placé dans un bain d’huile et chauffé à 130° C sous agitation magnétique (350 rpm). L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution thermo-chromique devienne homogène et transparente. La solution thermo-chromique a été refroidie, et lorsque sa température atteint 50 °C, le monomère (multi)acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,71 mmol) est dispersé sous agitation magnétique (350 rpm). L’agitation est maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble thermo-chromique / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 à 9500 rpm pendant 3 min à température ambiante pour former une émulsion (ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, préchauffé à 50 °C, l’émulsion préparée précédemment a été introduite et agitée à une vitesse de 250 rpm. Quand l’émulsion a atteint 50 °C, la solution de diamine (Hexaméthylène diamine HMDA) (0,17 g, 1 ,46 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation (250 rpm). Au cours de la réaction, des prélèvements à différents temps de réaction ont été effectués et analysés par microscopie optique.
La quantité totale des monomères utilisés était de ~ 0,56 g. L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport de fonctions -N H / acrylate= 1 ,6. Le ratio massique solution thermo-chromique/eau vaut 0,24.
Les microcapsules séchées mettent en évidence un changement de couleur réversible avec un changement réversible de coloration à une température à 10°C. Ces mêmes capsules peuvent, de plus, être chauffées au four à 130°C pendant 30 min sans modifications de leurs propriétés de thermochromie (Figure 7).
Exemple 3 : Essai de dégradabilité d’un poly(beta-amino ester)
Un premier test de dégradabilité a été effectué selon la procédure suivante :
(1) Synthèse du poly(beta-amino ester)
Dans un bêcher, le monomère Hexaméthylène diamine HMDA (1.0 g, 8.6 mmol) a été solubilisé dans du THF (4,0 g) et ajouté à une solution du monomère (multi)acrylate (triméthylolpropane triacrylate) (1 ,8 g, 6.1 mmol) solubilisé dans 2,5 g du THF. Le mélange a été placé dans un pilulier ensuite mis dans un bain d’huile à 50°C.
L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport de fonctions -N H / acrylate= 2.
Le polymère récupéré après 5h de réaction a été lavé trois fois à l’acétone et séché à l’étuve.
(2) Dégradation du poly(beta-amino ester)
La dégradation du poly(beta-aminoester) a été effectué selon le protocole suivant :
20 mg du polymère solubilisés dans 1 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium (3M, dans l’eau deuterée D2O, pH~14) est introduit dans un flacon muni d’un agitateur magnétique. Le polymère étant réticulé, il n’est pas soluble dans la phase aqueuse.
La figure 8 montre que le poly(beta-amino ester) s’est dissous dans la phase aqueuse, caractérisant une dégradation efficace du polymère dans ces conditions de dégradation accélérées. Exemple 4 : Préparation de microcapsules parfumées à base d’une triamine (TREN)
(i) Préparation de l’émulsion
11 ,0 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,74 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation. L’ensemble huile essentielle / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment y a été introduite. Une solution aqueuse de tris(2- aminoéthyl)amine TREN (0,145 g, 0,99 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C.
Exemple 5 : Préparation de microcapsules thermochromiques à base d’une triamine (TREN)
(i) Préparation de l’émulsion
11 ,0 g d’une solution thermochromique ont été introduits dans un bêcher et agités à chaud, le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,74 mmol) y a été dispersé sous agitation. L’ensemble thermochromique / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite à une température d’environ 50 °C à 60 °C. Une solution aqueuse de tris(2-aminoéthyl) amine TREN (0, 145 g, 0,99 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 80°C.
Exemple 6 : Préparation de microcapsules à base d’un monomère biogénique
(i) Préparation de l’émulsion
11 ,0 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa- acrylate) (0,39 g, 0,74 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation. L’ensemble huile essentielle / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite, la solution aqueuse de diamine (E3utane-1 ,4-diamine (Putrescine)) (0, 13 g, 1 ,47 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C.
La figure 10 montre une image de microscopie optique des capsules après 24 h de réaction. Les microcapsules sont sphériques, avec un diamètre moyen compris entre environ 10 pm et environ 30 pm.
Exemple 7 : Préparation de microcapsules à base du polyéthylène imine (PEI)
(i) Préparation de l’émulsion
1 1 ,0 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,74 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation. L’ensemble huile essentielle / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. Une solution de polyéthylène imine (PEI) (1 ,78 g, 1 ,48 mmol) dans 5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C.
La figure 1 1 montre des images de microscopie optique des capsules après 24 h de réaction. Les microcapsules sont sphériques, avec un diamètre moyen compris entre environ 10 pm et environ 30 pm
Exemple 8 : Préparation de microcapsules parfumées (rapport Shell / PI = 3,4 %)
(i) Préparation de l’émulsion
193,6 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (4,5 g, 8,5 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation. L’ensemble huile essentielle / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (255,9 g PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. Une solution de diamine (Hexaméthylène diamine HMDA) (2,01 g, 17,2 mmol) dans 44,1 g d’une solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C. On a laisse réagir pendant 2 h à 50 °C et pendant 5 h à 60 °C.
Exemple 9 : Préparation de microcapsules parfumées
(i) Préparation de l’émulsion
1 1 ,0 g d’un mélange de 80% parfum Ananas papaye (référence RS42370 de la société Technicoflor à Allauch (France)) et 20 % myristate de méthyle ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (0,39 g, 0,74 mmol) a été dispersé dans la fragrance sous agitation. L’ensemble fragrance / monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. Une solution de diamine (Hexaméthylène diamine HMDA) (0, 17 g, 1 ,49 mmol) dans 5 g d’une solution PVA 2 wt% a été ajoutée sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C. On a laissé réagir pendant 2 h à 50 °C et pendant 5 h à 60 °C.
Exemple 10 : Préparation de microcapsules pour autocopiants (ratio Shell / PI = 3,4%)
(i) Préparation de l’émulsion
193,6 g d’une phase interne (Dye) ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate)(4,5 g, 8,5 mmol) a été dispersé dans la phase interne sous agitation. L’ensemble a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (255,9 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. Une solution aqueuse de diamine (Hexaméthylène diamine HMDA) a été ajoutée, sous agitation à une température comprise entre 50°C et 60°C.
(iii) Utilisation des microcapsules dans un papier autocopiant
On a appliqué ces microcapsules sur une feuille de papier, selon des méthodes connues, et les a utilisées dans un système autocopiant. La figure 12 monte le résultat, qui est tout à fait satisfaisant.
Exemple 1 1 : Préparation de microcapsules thermochromiques à base du monomère POSS@octa(acrylate)
(i) Préparation de l’émulsion
20,0 g de thermochromique, et le polyoctahedral silsesquioxanes porté de huit fonction d’acrylate (POSS@octa(acrylate), n° CAS 1620202-27-8, acheté chez Hydridplastics, 1 ,48 g, 1 , 12 mmol) et l’inhibiteur thermique Butylated HydroxyToluene (BHT, 5,0 mg), ont été placés dans un bêcher. Le mélange a été solubilisé à chaud sous agitation magnétique. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble thermochromique / POSS@octa(acrylate) été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique); le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. La solution de Hexaméthylène diamine (HMDA, 0,35 g, 3,01 mmol) dans l’eau été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation. On a laissé réagir à 50 °C pendant 1 h et à 80 °C pendant 23 h.
La figure 13 montre une photographie ce des microcapsules.
Exemple 12 : Préparation de microcapsules thermochromiques à base du monomère POSS@octa(acrylate) avec meta-xylylenediamine
(i) Préparation de l’émulsion
10,0 g de thermochromique, et le polyoctahedral silsesquioxanes porté de huit fonction d’acrylate (POSS@octa(acrylate), n° CAS 1620202-27-8, acheté chez Hydridplastics, 1 ,50 g, 1 , 12 mmol) et l’inhibiteur thermique Butylated HydroxyToluene (BHT, 5,0 mg), ont été placés dans un bêcher. Le mélange a été solubilisé à chaud sous agitation magnétique. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble thermochromique / POSS@octa(acrylate) été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique); le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. La solution de meta- xylylènediamine (n° CAS 1477-55-0, 0,60 g, 3,01 mmol) dans 3 mL d’eau a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation. On a laissé réagir à 65 °C pendant 1 h et à 80 °C pendant 17 h.
Exemple 13 : Préparation de microcapsules thermochromiques à base du monomère POSS@octa(acrylate) avec POSS@octammonium et hexaméthylène diamine (HDMA)
(i) Préparation de l’émulsion
10,0 g de thermochromique, et le polyoctahedral silsesquioxanes porté de huit fonction d’acrylate (POSS@octa(acrylate), n° CAS 1620202-27-8, acheté chez Hydridplastics, 1 ,40 g, 1 ,06 mmol) et l’inhibiteur thermique Butylated HydroxyToluene (BHT, 5,0 mg), ont été placés dans un bêcher. Le mélange a été solubilisé à chaud sous agitation magnétique. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble thermochromique / POSS@octa(acrylate) été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40 g, PVA 2% massique); le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur, l’émulsion préparée précédemment a été introduite. Après, la solution de Hexaméthylène diamine (HMDA, 0,70 g, 6,02 mmol), POSS@(octa)ammonium (n° CAS 150380-11-3, acheté chez Hydridplastics, 0,30 g, 0,26 mmol), et carbonate de potassium (0, 16 g, 1 , 16 mmol) dans l’eau été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue, sous agitation. On a laissé réagir à 65 °C pendant 1 h et à 80 °C pendant 17 h.
La figure 14 montre une photographie de ces microcapsules.
Exemple 14 : Essai de biodégradation
Un lot de microcapsules préparées selon l’exemple 8 a été approvisionné. Les microcapsules sèches mais contenant de l’huile essentielle (Eucalyptus) ont été soumises à l’essai de biodégradabilité décrit dans le document OCDE 301 (« Ligne Directrice de l’OCDE pour les Essais de Produis Chimiques : Biodégradabilité Facile ») en utilisant la méthode 301 F (Essai de réspirométrie manométrique). Après une durée d’incubation de dix-neuf jours le pourcentage de biodégradation était de 83 %.
La figure 15 montre l’évolution du pourcentage de biodégradation en fonction du temps, sur une durée de 19 jours. La courbe (b) correspond à la microcapsule, alors que la courbe (a) correspond à un produit de référence (acétate de sodium) traité séparément dans les mêmes conditions de biodégradation.
Exemple 15 : Essai de biodégradation
Un lot de microcapsules préparées selon l’exemple 8 a été approvisionné. Les microcapsules ont été ouvertes, vidées et lavées. Ensuite elles ont été soumises à l’essai de biodégradabilité décrit dans le document OCDE 301 (« Ligne Directrice de l’OCDE pour les Essais de Produis Chimiques : Biodégradabilité Facile ») en utilisant la méthode 301 F (Essai de réspirométrie manométrique). Après une durée d’incubation de vingt-huit jours le pourcentage de biodégradation était de 93 %.
La figure 16 montre l’évolution du pourcentage de biodégradation en fonction du temps.
Exemple 16 : Préparation de microcapsules parfumées à base d’une multiamine (Pentaéthylènehexamine)
(i) Préparation de l’émulsion
19,7 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placées dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (1 ,2 g, 2.29 mmol) a été dispersé dans l’huile essentielle sous agitation magnétique (350 rpm) à 50°C. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble huile essentielle/ monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée (31 ,7 g, PVA 2% massique) préalablement chauffée à 50°C ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 à 1 1500 rpm pendant 3 min à 50°C pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, préchauffé à 50 °C, l’émulsion préparée précédemment a été introduite et agitée à une vitesse de 250 rpm. La solution de multiamine (Pentaéthylènehexamine) (1 ,9 g, 8.00 mmol) dans 5,5 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation (250 rpm). Le mélange réactionnel a été maintenu sous agitation pendant 2h à 50°C puis 5h à 60°C. La quantité totale des monomères utilisés était de 3, 1 g. L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport molaire Amine/acrylate = 3,5. Le ratio massique huile essentielle/eau est égal à 0,53. Exemple 17 : Préparation de microcapsules parfumées à base d’une diamine aromatique (m-xylylène diamine)
(i) Préparation de l’émulsion 22,0 g de parfum ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (1 ,52 g, 2,90 mmol) a été dispersé dans le parfum sous agitation magnétique (350 rpm) à 50 °C. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble parfum/ monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (35,0 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA T10 à 1 1500 rpm pendant 3 min à 50 °C pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, préchauffé à 65 °C, l’émulsion préparée précédemment a été introduite et agitée à une vitesse de 250 rpm. Quand l’émulsion a atteint 65 °C, la solution de m-xylylènediamine (0,80 g, 5,88 mmol) dans 5,0 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation (248 rpm). Le mélange réactionnel est maintenu sous agitation pendant 5h à 65 °C et 1 h à 80 °C.
La quantité totale des monomères utilisés était de 2.3 g. L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport de fonctions - NH/acrylate=1 ,6. Le ratio massique parfum/eau est égal à 0,55.
La figure 17 montre une photographie de ces microcapsules.
Exemple 18 : Préparation de microcapsules parfumées avec un revêtement en fibre de cellulose
(i) Préparation de l’émulsion
22,0 g de parfum ont été placés dans un bêcher, et le monomère multi acrylate (mélange Dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate) (1 ,52 g, 2,90 mmol) a été dispersé dans le parfum sous agitation magnétique (350 rpm) à 50 °C. L’agitation a été maintenue jusqu’à ce que la solution devienne homogène. L’ensemble parfum/ monomère organique a été ajouté progressivement à la solution aqueuse du tensioactif préparée préalablement (40,0 g, PVA 2% massique) ; le mélange a été homogénéisé à l’aide d’un Ultraturrax™ IKA HO à 11500 rpm pendant 3 min à 50 °C pour former une émulsion.
(ii) Microencapsulation
Dans un réacteur à double paroi, équipé d’un système d’agitation mécanique à pales IKA, préchauffé à 65 °C, l’émulsion préparée précédemment a été introduite et agitée à une vitesse de 250 rpm. Quand l’émulsion a atteint 65 °C, la solution de m-xylylènediamine (0,80 g, 5,88 mmol) dans 5,0 g de solution PVA 2 wt% a été ajoutée au goutte à goutte à l’aide d’une seringue et sous agitation (250 rpm). Le mélange réactionnel est maintenu sous agitation pendant 5h à 65 °C et 1h à 80 °C. La quantité totale des monomères utilisés était de 2.3 g. L’amine a été utilisée en excès par rapport au monomère acrylate de telle manière à avoir un rapport de fonctions - NH/acrylate=1 ,6. Le ratio massique huile essentielle/eau est égal à 0,5.
(iii) Coating de cellulose
4% massique de microfibre de cellulose (Exilva F 01-L) a été préchauffé à une température comprise entre 65°C et 70 °C puis introduit dans le slurry chaud sous agitation. Le mélangé est homogénéisé à chaud sous agitation pendant 30 min et pendant 2h à température ambiante.
Un test d’accroche sur fibre de coton a été réalisée : on a mouillé préalablement une fibre de coton puis trempé celle-ci dans le slurry. Apres un lavage vigoureux et soigneux dans de l’eau pour simuler le rinçage, la fibre a été séchée à température ambiante.
La figure 18 montre une photographie (image (b)) d’une fibre de coton après trempage dans une solution de slurry puis séchage pour des microcapsules dont la surface a été modifié. Le coating améliore l’accroche des microcapsules sur la fibre de coton, comparée aux microcapsules sans coating (image (a)).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de microcapsules renfermant une substance dite active, procédé dans lequel :
- on approvisionne une solution aqueuse d’un tensioactif, une phase huileuse comprenant ladite substance active et au moins un premier monomère X, et une phase polaire comprenant au moins un deuxième monomère Y ;
- on prépare une émulsion de type O/W par ajout de ladite phase huileuse à ladite solution aqueuse du tensioactif ;
- on ajoute à ladite émulsion O/W ladite phase polaire, pour permettre l’obtention d’un polymère par polymérisation desdits monomères X et Y ;
- on isole à partir de ce mélange réactionnel lesdites microcapsules comportant une paroi formée par ledit polymère et renfermant ladite substance active ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit polymère est un poly(beta-aminoester).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit premier monomère X est sélectionné parmi les (multi)acrylates, et de préférence les (multi)acrylates de formule X’-(-0(C=0)-CH=CH2)n avec n ³ 4 et où X’ représente une molécule sur laquelle est greffée n motifs acrylate.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier monomère X est sélectionné dans le groupe formé par :
- les diacrylates ;
- les triacrylates, notamment le triacrylate de triméthylolpropane, les tetraacrylates, les pentaacrylates, les hexaacrylates, les mélanges entre ces différents acrylates de type 0[CH2C(CH20R)3]2 OÙ R est H ou COCH=CH2;
- les polymères portant des fonctions acrylates pendantes ;
- les oligo PBAE fonctionnels, préparés par exemple par réaction de composés diacrylates avec une amine primaire fonctionnelle et/ou une diamine secondaire fonctionnelle ;
- le mélange de différents composés décrit ci-dessus.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit deuxième monomère Y est sélectionné parmi les amines.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le deuxième monomère Y est sélectionné dans le groupe formé par :
- les amines primaires R-NH2 ; - les diamines primaires de type NH2(CH2)nNH2 où n est un nombre entier qui peut typiquement être compris entre 1 et 20, et qui est de préférence 2 ou 6 ;
- les diamines primaires possédant un cœur aromatique, et de preference la méta- xylylène diamine ;
- les (multi)amines primaires, et de préférence la tris(2-aminoéthyl)amine ;
- les (multi)amines contenant des fonctions amines primaires et secondaires, et de preference la tetraéthylène pentamine ;
- les diamines secondaires et de préférence la pipérazine ;
- les polymères contenant des fonctions amines primaires et ou secondaires, et de préférence le polyéthylène imine.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite polymérisation desdits monomères se fait sous agitation à une température comprise entre 20 °C et 100 °C, et de préférence entre 30°C et 90 °C.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit tensioactif est sélectionné dans le groupe formé par les tensioactifs macromoléculaires, de préférence en ce que ledit tensioactif est sélectionné dans le groupe formé par les polyacrylates, les méthylcelluloses, les carboxyméthylcelluloses, l'alcool polyvinylique éventuellement partiellement estérifié ou éthérifié, le polyacrylamide, les polymères synthétiques possédant des fonctions anhydride ou acide carboxylique, les copolymères éthylène/anhydride maléique, et en ce que ledit tensioactif est encore plus préférentiellement l'alcool polyvinylique.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite substance active est sélectionnée dans le groupe formé par :
- huiles essentielles, les fragrances,
- les encres, les peintures, les substances thermochromiques et/ou photochromiques, les colorants, les colles,
- les produits à effet biocide, les produits à effet fongicide, les produits à effet antiviral, les produits à effet phytosanitaire, les produits à effet cosmétique, les principes actifs pharmaceutiques,
- les huiles naturelles et alimentaires, les huiles végétales et alimentaires, les alcanes liquides, les esters et acides gras.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la paroi des microcapsules est modifiée soit par une couche de polymère déposée en surface de la microcapsule, soit par ajout d’un amorceur radicalaire dans la phase aqueuse et/ou la phase huileuse, soit par ajout dans la phase aqueuse d’un acrylate hydrosoluble capable de modifier l’état de surface des microcapsules.
10. Microcapsules susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Microcapsule selon la revendication 10, renfermant une substance dite active, caractérisée en ce que sa paroi est formée de poly(beta-amino ester).
12. Microcapsule selon la revendication 10 ou 11 , caractérisée en ce qu’elle présente un diamètre moyen compris entre 100 nm et 100 pm, de préférence entre 1 pm et 50 pm, et encore plus préférentiellement entre 10 pm et 40 pm.
13. Microcapsule selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que ladite microcapsule et/ou sa paroi montre une biodégradation d’au moins 80 %, de préférence d’au moins 83 %, et encore plus préférentiellement d’au moins 85 %, mesurée par un essai de respirométrie manométrique selon la méthode 301 F des « Lignes Directrices de l’OCDE pour les Essais de Produits Chimiques :
Biodégradabilité Facile » après une incubation de dix jours.
14. Microcapsule selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que ladite microcapsule et/ou sa paroi montre une biodégradation d’au moins 90 %, de préférence d’au moins 95 %, et encore plus préférentiellement d’au moins 98 %, mesurée par un essai de respirométrie manométrique selon la méthode 301 F des « Lignes Directrices de l’OCDE pour les Essais de Produits Chimiques :
Biodégradabilité Facile » après une incubation de 28 jours.
15. Microcapsule selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que sa paroi a été modifiée soit par une couche de polymère déposée en surface de la microcapsule, soit par ajout d’un amorceur radicalaire dans la phase aqueuse et/ou la phase huileuse, soit par ajout dans la phase aqueuse d’un acrylate hydrosoluble capable de modifier l’état de surface des microcapsules.
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