FR2954946A1 - Procede de fabrication d'un materiau poreux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau poreux comprenant au moins une molécule d'intérêt dans une matrice polymère, qui comporte les étapes successives d'enrobage par voie sèche de particules d'un polymère par la molécule d'intérêt, et traitement du composite pulvérulent ainsi obtenu par un fluide à l'état supercritique de manière à former le matériau solide poreux. Ce procédé comporte en outre une étape de mise en forme du matériau par moulage à chaud et sous pression du composite pulvérulent, préalablement au traitement par le fluide à l'état supercritique.

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau poreux, ainsi qu'un matériau poreux obtenu par ce procédé, du type comprenant une ou plusieurs molécules d'intérêt dans une matrice polymère. Un domaine d'application particulièrement préféré de l'invention est la préparation de biomatériaux poreux à visée biomédicale, par exemple pour la culture de cellules humaines pour la thérapie, en particulier pour la reconstruction de l'os, du cartilage, etc., la vectorisation d'une molécule d'intérêt, par exemple en vue de la délivrance d'une drogue dans un organisme, ou encore la modélisation de tumeurs humaines, pour laquelle il est nécessaire de réaliser la culture de cellules tumorales humaines ou animales sur le matériau, qui assure alors une fonction de support tridimensionnel pour les cellules. Dans le cadre de telles applications, il est nécessaire que le matériau utilisé contienne une ou plusieurs molécules d'intérêt. A titre d'exemple, lorsqu'il est utilisé à des fins de support pour la croissance cellulaire, il s'avère notamment tout à fait avantageux que des protéoglycanes et/ou des protéines, qui favorisent cette croissance, soient adjointes à la matrice polymère. L'invention s'applique cependant également à tout autre domaine dans lequel il peut être souhaitable de disposer d'une structure polymère poreuse solide enfermant une ou plusieurs molécules d'intérêt, et dont la surface soit adaptée au besoin spécifique. Ces domaines sont par exemple, et non limitativement, l'encapsulation de substances toxiques, de polluants, de peintures, ou autres, ou bien la réalisation de capteurs, filtres à particules, etc. A l'heure actuelle, les procédés de fabrication de matériaux, notamment de biomatériaux, poreux mettent en oeuvre des agents porogènes qui sont soit du type fondant à une température inférieure à celle de la matrice polymère, tels que des cires ou billes d'azote, soit du type se dissolvant en voie aqueuse, tels que le chlorure de sodium ou le glucose, soit encore du type libérant un gaz par réaction chimique. Aucun de ces procédés ne permet de maîtriser la reproductibilité des caractéristiques de porosité dans le matériau.

En outre, lorsqu'il s'agit d'adjoindre au matériau formé une ou plusieurs molécules d'intérêt, il se pose plusieurs problèmes, notamment en terme de faisabilité de la mise en forme du matériau sans dénaturation ou perte d'activité de la ou des molécule(s) d'intérêt.

Il a été proposé par l'art antérieur des procédés de fabrication de matériaux poreux qui mettent en oeuvre une étape de traitement par moussage au moyen d'un fluide, plus particulièrement le dioxyde de carbone, à l'état supercritique. Un exemple d'un tel procédé est notamment décrit dans la demande de brevet US 2009/0017094, qui prévoit la dissolution d'un agent moussant, le dioxyde de carbone à l'état supercritique, dans un mélange polymère composite incluant un agent porogène, préalablement à un traitement de moulage par injection pour former une structure solide composite poreuse. Un tel procédé présente notamment l'avantage, particulièrement important dans le domaine des biomatériaux, d'une absence de recours à des solvants organiques. Cependant, son application est limitée à des polymères présentant une affinité pour le dioxyde de carbone. La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication d'un matériau poreux à base d'un polymère et d'au moins une molécule d'intérêt, qui permette une maîtrise précise du taux et de la morphologie des pores formées dans le matériau, et qui s'applique le plus généralement possible à une large gamme de polymères. A cet effet, il est proposé selon la présente invention un procédé de fabrication d'un matériau poreux, comprenant au moins une molécule d'intérêt dans une matrice polymère, qui comporte les étapes successives d'enrobage par voie sèche de particules d'un polymère par la molécule d'intérêt, et de traitement du composite pulvérulent ainsi obtenu par un fluide à l'état supercritique, de manière à former le matériau solide poreux. Il a été constaté par les présents inventeurs que de façon surprenante, la combinaison particulière des techniques d'enrobage et de traitement au moyen d'un fluide à l'état supercritique, qui sont chacune connues en elles- mêmes, et qui selon l'invention sont appliquées à la suite l'une de l'autre, permettait tout à fait avantageusement d'obtenir un matériau poreux présentant des propriétés de surface bien supérieures à celles des matériaux de l'art antérieur, en termes de variabilité et d'adaptabilité aux besoins spécifiques de l'application visée pour ce matériau, et de maîtrise et reproductibilité. Ces résultats avantageux sont notamment dus à un contrôle, selon l'invention, des paramètres responsables des caractéristiques du matériau à la fois sur le plan chimique, dans le cadre de l'opération d'enrobage qui modifie l'état de surface chimique du polymère, tout en l'associant avec la molécule d'intérêt, et sur le plan physique, lors de l'opération de traitement au fluide supercritique, qui assure la génération de pores dans le matériau. Ce procédé ne nécessite en outre que très peu de produit de départ. Il permet de résoudre le problème de la mise en forme de biomatériaux fonctionnels avec adjonction de molécules d'intérêt, puisque cette mise en forme peut être réalisée simultanément à l'étape de traitement par le fluide à l'état supercritique, dans des conditions de température et de pression douces, qui ne provoquent pas de dénaturation et de perte d'activité de la molécule d'intérêt. Dans des modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, le procédé comprend une étape de mise en forme du matériau par moulage à chaud et sous pression du composite pulvérulent, préalablement au traitement par le fluide à l'état supercritique. Une telle étape intermédiaire permet avantageusement de raccourcir la durée de l'étape de traitement au fluide supercritique ultérieure, notamment car elle assure une densification du polymère. La mise en forme est de préférence mise en oeuvre à une température de 5 à 50 °C à la température minimale d'écoulement du polymère, et à une pression comprise entre 100 et 500 MPa. Tout polymère de la famille des thermoplastiques, vitreux ou caoutchoutique, peut être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. Pour les applications du matériau dans le domaine biomédical / thérapeutique, les polymères biodégradables, par exemple du type des polylactiques, polycaprones, etc., sont particulièrement préférés. Les molécules d'intérêt ont quant à elles, de façon générale, une fonction d'amélioration d'au moins une propriété du polymère, par exemple l'augmentation de modules mécaniques, de l'énergie de surface, de la bioactivité, etc. A titre d'exemples non limitatifs, il peut s'agir de molécules organiques, telles que des peptides, des glycosaminoglycanes, des polymères, des oligomères, ou des molécules inorganiques, comme par exemple les céramiques, les sels, les oxydes, etc.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'enrobage est de préférence réalisé par co-broyage, par voie sèche, des particules de polymère et de la molécule d'intérêt, selon des techniques classiques en elles-mêmes. Le choix, en première étape du procédé selon l'invention, d'une telle technique de traitement, qui assure une inclusion mécano-chimique du polymère dans la molécule d'intérêt, s'avère tout à fait avantageux, notamment car il permet, par une modification des propriétés de surface du polymère, d'augmenter l'affinité du polymère vis-à-vis du fluide supercritique mis en oeuvre ultérieurement. Le procédé selon l'invention peut ainsi être appliqué à tout polymère, quel que soit son degré d'affinité avec le fluide utilisé, y compris aux polymères présentant, en tant que tels, une affinité nulle vis-à-vis de ce fluide. Il est en outre formé lors de l'opération de co-broyage des liaisons faibles, de type Van der Waals, entre le polymère et la molécule d'intérêt, ce qui s'avère en particulier tout à fait avantageux dans le cas où le matériau poreux fabriqué selon l'invention est destiné à une utilisation pour la vectorisation d'une molécule d'intérêt. En effet, ce type de liaisons faibles permet alors une libération facile de la molécule encapsulée dans le matériau. Dans un tel domaine d'application, l'invention s'avère ainsi bien plus avantageuse que les techniques classiques de vectorisation des molécules d'intérêt biologiques proposées par l'art antérieur, que sont le greffage covalent ou l'encapsulation dans une structure dite coeur-coquille à base de méthylcellulose, dans une matrice lipidique ou encore des dendrimères, qui nécessitent les unes comme les autres des conditions spécifiques plus contraignantes pour permettre la libération de la molécule.

La durée de mise en oeuvre du co-broyage, ainsi que la fréquence appliquée, sont choisies, selon des calculs du ressort de l'homme du métier, de sorte à conférer les propriétés souhaitées au composite pulvérulent obtenu, en particulier en terme d'état de surface de chacune des particules composant la poudre, en fonction de l'application ultérieure visée. Dans des modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, le co-broyage est réalisé pendant un temps suffisant pour obtenir une granulométrie de la poudre correspondant à un diamètre médian des particules inférieur à 100 µm. Le co-broyage peut optionnellement être précédé d'une étape préalable de pré-broyage individuel de matériaux de départ, c'est-à-dire du polymère et/ou de la molécule d'intérêt, en fonction de leur granulométrie initiale, de manière à leur conférer une granulométrie plus fine, correspondant à un diamètre médian inférieur à 0,1 mm. A l'issue de l'étape de co-broyage, le composite obtenu se présente, de façon classique, sous forme d'une poudre fine subdivisée. Conformément à l'invention, cette poudre peut ensuite être soumise à un traitement de mise en forme par moulage, visant à former une structure solide en matériau composite, selon des techniques classiques en elles-mêmes. Cette mise en forme du matériau est réalisée en fonction de l'application pour laquelle il est destiné.

L'étape de traitement du matériau par un agent moussant, ou émulseur, plus particulièrement un fluide à l'état supercritique, est réalisée à la suite de l'étape de mise en forme, ou simultanément à celle-ci. Préférentiellement, le fluide choisi est un gaz, de préférence le dioxyde de carbone. D'autres fluides, comme par exemple l'azote à l'état supercritique, peuvent également être utilisés dans le cadre de l'invention.

De façon classique, le dioxyde de carbone, ou CO2, est dit à l'état supercritique lorsque sa température est supérieure à 31 °C et sa pression supérieure à 73 atm. Dans de telles conditions, ce fluide conserve avantageusement les propriétés d'un gaz, par exemple sa grande capacité de diffusion, et il acquiert celles d'un liquide. Il présente alors un pouvoir solvant important. Le choix d'un tel fluide particulier s'avère en outre notamment avantageux dans le cadre de l'invention, et ce d'autant plus en liaison avec des applications biologiques ou thérapeutiques du matériau, car il présente des propriétés anti-contaminantes.

Cette étape de traitement au fluide supercritique est réalisée de façon classique en elle-même, par exemple de la façon suivante. Le matériau est placé dans un moule fermé chauffé et sous pression, dans lequel est introduit le dioxyde de carbone supercritique. Les paramètres opérationnels, plus particulièrement le temps, la température et la pression de saturation du gaz, sont fixés de manière adéquate pour contrôler la diffusion du gaz dans le matériau. Une dépressurisation est ensuite assurée par échappement du gaz hors du moule, à un flux contrôlé. La chambre de moussage est refroidie simultanément. Un tel traitement assure la nucléation et la croissance de pores dans le matériau solide formé. On obtient dans le matériau un réseau continu de pores hautement interconnectées. Les paramètres d'opération, plus particulièrement le temps, la température et la pression de saturation, ainsi que le temps de dépressurisation, sont déterminés, selon des calculs à la portée de l'homme du métier, selon la taille, la morphologie et la distribution des pores souhaitées, en fonction d'une part de l'application visée pour le matériau, et d'autre part de la nature du polymère mis en oeuvre. A titre d'exemple, la pression de saturation est comprise entre 100 et 300 bars, le temps de saturation entre 15 et 120 minutes, la température de saturation entre Tg -50 °C et Tg + 50°C, Tg exprimant la température de transition vitreuse du polymère, et la vitesse de dépressurisation entre 1 et 20 bans.

Le procédé selon l'invention assure avantageusement une parfaite maîtrise et reproductibilité de la taille et de la morphologie des pores formées, ainsi que du taux de porosité volumique du matériau. Ce procédé permet également d'obtenir une bonne uniformité en taille et en distribution des pores dans le matériau. La mousse composite fabriquée conformément à l'invention conserve les propriétés mécaniques de la matrice polymère, qui n'est avantageusement pas affectée par le traitement au fluide supercritique. Cette mousse présente en outre un taux de porosité et une taille, morphologie et distribution des pores parfaitement contrôlés, résultant avantageusement de la maîtrise lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, d'une part des paramètres chimiques impliqués lors de l'étape d'enrobage, et d'autre part des paramètres physiques lors de l'étape de moussage. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, le procédé ne met en oeuvre aucun solvant, qu'il soit organique ou aqueux, ni agent moussant de type chimique. Selon les cas, il peut cependant comprendre l'ajout d'un agent porogène au composite pulvérulent obtenu à l'issue de l'étape d'enrobage. Les avantages du procédé selon l'invention sont nombreux. Outre ceux qui ont déjà été présentés ci-avant, ce procédé est notamment simple à mettre en oeuvre, il implique un nombre d'étapes réduit pour obtenir le matériau poreux de propriétés souhaitées, et il est parfaitement reproductible. Il permet d'adjoindre une ou plusieurs molécules d'intérêt au matériau sans provoquer de dénaturation ou de modification d'activité de ces dernières, car ni l'action mécanique du co-broyage, ni l'action thermique du traitement par le fluide supercritique, réalisé dans des conditions dites douces, ne sont susceptibles de les endommager. La taille des pores du matériau peut facilement être adaptée en fonction de l'application visée, en jouant d'une part sur la nature du polymère et d'autre part sur les paramètres physiques de l'étape de moussage.

Il résulte de ces avantages techniques des avantages économiques importants, notamment en termes de réduction de la quantité d'équipements nécessaires à la mise en oeuvre du procédé, de faible coût de fabrication dû notamment à la simplicité de mise en oeuvre et à l'absence d'utilisation de solvants. L'invention concerne également un matériau poreux obtenu par le procédé tel que décrit ci-avant. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce matériau se caractérise par un taux de porosité compris entre 80 et 90 % en volume.

Ce matériau poreux peut notamment être formé à partir de polymères d'acide lactique, ou de copolymères d'acide lactique et d'acide glycolique. De façon générale, tout polymère du type thermoplastique peut être utilisé dans le cadre de l'invention. En fonction du domaine d'application visé pour le matériau formé, ce polymère peut aussi bien être biodégradable, notamment pour toutes les applications à visée thérapeutique, que ne pas l'être. L'invention concerne également l'utilisation de ce matériau poreux en tant que support tridimensionnel pour la culture cellulaire. Un domaine d'application préféré du matériau selon l'invention est notamment l'ingénierie tissulaire. De façon générale, la reconstruction des os et cartilages requiert une structure support solide à haut taux de porosité, dans laquelle peut s'effectuer la croissance de cellules et tissus. Cette structure doit être capable de favoriser la prolifération, la différenciation et la fonction cellulaire. Les composites à base de polymères biocompatibles et bio résorbables, par exemple les polymères d'acide polylactique, sont reconnus comme particulièrement adaptés pour reproduire la microstructure osseuse. Le degré de porosité de tels matériaux et la morphologie des pores jouant un rôle important dans le succès de la formation de l'os, il est d'une grande importance de pouvoir contrôler précisément ces caractéristiques. Le procédé selon l'invention permet avantageusement d'obtenir des matériaux répondant à ces exigences, et présentant des propriétés en termes d'état de surface adapté à l'adhésion et la croissance cellulaire, et de durée de vie, qui sont supérieures à celles des matériaux proposés par l'art antérieur. Ce matériau peut avantageusement contenir toutes les molécules nécessaires à la différenciation, la prolifération et la fonction cellulaire, par exemple des protéoglycanes et des protéines, ces molécules y étant en outre présentes dans un état actif. L'invention sera maintenant plus précisément décrite ci-après dans le cadre d'exemples de mise en oeuvre préférés, qui n'en sont toutefois nullement limitatifs.

Un procédé de fabrication selon l'invention met en oeuvre quatre étapes successives au maximum, à partir de matériaux de départ que sont un polymère du type thermoplastique et une ou plusieurs molécules d'intérêt, tous initialement sous la forme de poudre sèche. Le matériel utilisé pour la mise en oeuvre de ces étapes est classique en lui-même.

En étape préalable optionnelle, les différents matériaux de départ, chacun sous forme de poudre, sont pré-broyés individuellement de sorte à obtenir pour chacun une granulométrie de diamètre médian compris entre 100 et 1000 µm. Ce broyage est effectué de façon classique, au moyen d'un dispositif également classique en lui-même, par exemple un broyeur à couteaux. En deuxième étape, les différentes poudres ainsi obtenues sont soumises à un co-broyage pendant un temps suffisant pour obtenir un composite pulvérulent constitué du polymère enrobé par la molécule d'intérêt, avec une granulométrie de diamètre médian compris entre 10 et 100 µm. Le co-broyage est par exemple mis en oeuvre dans un broyeur à boulets classique en lui-même, pendant un temps et à une fréquence déterminés en fonction de la nature et de la granulométrie initiale des poudres, ainsi que de l'application visée pour le matériau final. La formation d'une structure composite solide peut ensuite être 30 réalisée, de préférence par moulage à chaud sous presse chauffante, à une pression comprise entre 100 et 500 MPa et une température supérieure de 5 à 50°C à la température minimale d'écoulement du polymère. Le composite pulvérulent peut préalablement avoir été mélangé avec un agent porogène, tel que le sel, le sucre, un matériau hydrosoluble ou thermosensible, etc.

Une étape finale de formation de pores dans le matériau est enfin réalisée, par élimination de l'agent porogène et/ou moussage avec le dioxyde de carbone à l'état supercritique. Cette opération est mise en oeuvre de façon classique en elle-même, dans un dispositif également classique en lui-même, de préférence dans le même moule et le même dispositif que l'opération précédente de mise en forme, ce dispositif comportant notamment une pompe à fluide supercritique. Les paramètres opératoires sont fixés en fonction de la nature du polymère et de la distribution des pores souhaitées, en particulier la pression de saturation, qui doit être comprise entre 100 et 300 bars, le temps de saturation, entre 15 et 120 minutes, la température de saturation, entre Tg -50 °C à Tg + 50 °C, où Tg exprime la température de transition vitreuse du polymère, et la vitesse de dépressurisation, entre 1 à 20 bar/s. On obtient alors une mousse polymère thermoplastique poreuse incluant la molécule d'intérêt. Exemple On fabrique conformément au procédé décrit ci-avant un matériau poreux de taux de porosité égal à 90 % en volume et de taille moyenne de pores égale à 75 µm.

25 Les matériaux de départ sont le copolymère PLGA (copolymère d'acide lactique et d'acide glycolique), dans des proportions en poids de 50%-50%, et l'acide hyaluronique en tant que molécule d'intérêt. Les paramètres opérationnels suivants sont choisis pour les quatre étapes décrites ci-avant :20 1/ Pré-broyage dans un broyeur à couteaux d'une poudre de copolymère PLGA50_50 pendant 1h et de l'acide hyaluronique pendant 30 min. 2/ Co-broyage dans un broyeur à boulets d'un mélange de 90% en masse de PLGA50 50 et de 10% en masse d'acide hyaluronique pendant 24 h. 3/ Fabrication de pastilles de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur en appliquant une pression de 150 bars durant 20 minutes à 60°C. 4/ Fabrication du matériau composite poreux par moussage avec le 002 à l'état supercritique, à une pression de saturation Psat = 100 bars, un temps de saturation tsat = 60 minutes; une température de saturation Tsat = 35°C et une vitesse de dépressurisation dP/dt = 20 bar/s. On obtient une mousse composite poreuse, dont la taille moyenne des pores et le taux de porosité sont parfaitement maîtrisés. La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier, elle fournit un procédé de fabrication d'un matériau composite poreux qui s'applique à une large gamme de polymères, qui offre un degré élevé de maîtrise et de reproductibilité du taux de porosité et de la taille des pores, et de façon plus générale de l'état de surface du matériau, et qui est simple et peu coûteux à mettre en oeuvre. Ce procédé n'utilisant pas de réactifs pouvant s'avérer nocifs pour les organismes vivants, il est tout à fait avantageux pour la fabrication de matériaux à visée biomédicale. Le matériau qu'il permet d'obtenir présente en outre des propriétés adaptables en fonction des besoins de l'application.25

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un matériau poreux comprenant au moins une molécule d'intérêt dans une matrice polymère, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives de : - enrobage par voie sèche de particules d'un polymère par ladite molécule d'intérêt, - et traitement du composite pulvérulent ainsi obtenu par un fluide à l'état supercritique de manière à former ledit matériau solide poreux.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en forme du matériau par moulage à chaud et sous pression du composite pulvérulent, préalablement au traitement par le fluide à l'état supercritique.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enrobage est réalisé par co-broyage des particules du polymère et de la molécule d'intérêt.
4. 4. Procédé la revendication 3, caractérisé en ce que le co-broyage est réalisé pendant un temps suffisant pour obtenir une granulométrie du composite pulvérulent de diamètre médian inférieur à 100 µm.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit fluide est le dioxyde de carbone à l'état supercritique.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en étape préalable le pré-broyage individuel de matériaux de départ jusqu'à obtenir une granulométrie de diamètre médian inférieur à 0,1 mm.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il ne met en oeuvre aucun solvant.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend l'ajout d'un agent porogène au composite pulvérulent obtenu à l'issue de l'étape d'enrobage.
9. 9. Matériau poreux obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par un taux de porosité compris entre 80 et 90 % en volume.
10. 10. Matériau selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est formé à partir de copolymère d'acide lactique et d'acide glycolique.
11. 11. Utilisation du matériau selon la revendication 9 ou 10 en tant que support pour la culture cellulaire.