FR3095965A1 - Procede de preparation de microcapsules biodegradables et microcapsules ainsi obtenues - Google Patents

Procede de preparation de microcapsules biodegradables et microcapsules ainsi obtenues Download PDF

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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 (appelé 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. 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), 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 par exemple WO 2013/114 025 – Gem Innov, ou WO 2007/070118 – Kimberly-Clark, ou EP 1 084 860 – The Pilot Ink Co.),
Il 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 μm. 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 2 ; (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 polyurethanes (PU) ou les polyurées. L’élaboration des parois des microcapsules en PA utilise en général des monomères du type diamine (hexamethylene 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 (HDI, 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 ; tétraéthylortosilicate (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 microparticules 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, eta fortioride 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). Dans tous les cas, les parois ne sont pas (bio)dégradables du fait de la nature de la chaine 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 dimethylsulfoxide (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 acide mais se dégradent plus rapidement par hydrolyse des fonctions ester à pH neutre et/ou basique. Ce phénomène d’hydrolyse conduit à la libération de petites molécules comme des bis(β-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(Beta-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 :
  1. Dispersion d’un ou de plusieurs composés possédant au moins deux fonctions acrylate dans une solution organique constituant la phase à encapsuler (et comprenant, le cas échéant, le principe actif) ;
  2. Addition d'un excès par rapport au volume précédent d’une phase aqueuse comprenant un ou plusieurs tensioactifs, suivie d’une émulsification ;
  3. 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 ;
  4. 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’-(-O(C=O)-CH=CH2)navec n ≥ 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’-(-O(C=O)-CH=CH2)navec n ≥ 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 O[CH2C(CH2OR)3]2où 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)nNH2où n est un nombre entier qui peut typiquement être compris entre 1 et 20, et qui est de préférence 2 ou 6 ;
  • les (multi)amines primaires comme la tris(2-aminoéthyl)amine ;
  • les diamines secondaires comme la pipérazine ;
  • les polymères possédant des 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).
Figures
Les figures 1 à 9 illustrent certains aspects de l’invention, mais ne limitent pas leur portée. Les figures 2 à 5 se rapportent à l’exemple.
montre le schéma général du procédé selon l’invention. Les repères numériques à quatre chiffres désignent des étapes de ce procédé.
montre une micrographie optique de microcapsules obtenues selon l’exemple, après 5 heures de réaction.
montre un spectre FTIR de la paroi des microcapsules isolées dans les slurry après 6 heures de réaction.
montre une micrographie optique de microcapsules obtenues selon l’exemple, après séchage sur lame de verre.
montre deux micrographies optiques de microcapsules obtenues selon l’exemple, 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.
Dans les figures 2 à 5, la barre horizontale en bas à gauche de l’image représente une longueur de 50 µm.
illustre le schéma réactionnel de la réaction selon l’invention.
montre que les microcapsules thermochromiques sont stables après un passage au four de 30 min et que leur fonction thermochromique est conservée
illustre la dégradabilité des parois de la microcapsule par un test de dégradation accéléré.
illustre les différents domaines d’application des poly(beta-amino ester)s.
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.
Lafigure 1montre un schéma général du procédé selon l’invention. On prépare la solution aqueuse du tensioactif (1000). On prépare également une solution organique comprenant la phase à encapsuler (qui comprend la substance dite active) et le monomère X (1002). A l’étape1010on ajoute cette solution organique1002à ladite solution aqueuse1000et obtient à l’étape1020une émulsion1022de type O/W (huile dans l’eau, en anglais Oil in Water, selon une désignation connue de l’homme du métier). A l’étape1030on ajoute à ladite émulsion1022une solution aqueuse du monomère Y1024. A l’étape1040la réaction de polymérisation conduit à un mélange réactionnel1042à partir duquel se forme ensuite à l’étape1050un mélange hétérogène1052appelé slurry qui comprend, en suspension à base aqueuse, les microcapsules renfermant la phase à encapsuler.
L’étape1050implique en règle générale une température du mélange réactionnel1042supérieure 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’-(-O(C=O)-CH=CH2)navec n≥2 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 O[CH2C(CH2OR)3]2où R peut être H ou COCH=CH2.
Comme amine, on peut utiliser à titre d’exemple des molécules de type NH2(CH2)nNH2où 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 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.
Lafigure 6montre 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 sera enfermée par la paroi polymérique de la microcapsule, qui la protège de l’environnement. Ladite phase organique peut consister en ladite substance active, ou ladite substance active peut faire partie de ladite phase organique, 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 chaine (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 à encapsuler, contre les rayonnements infrarouges, les rayonnements ultra-violets, la pénétration involontaire d’un gaz spécifique ou l’oxydation.
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 1500 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 µm de diamètre moyen. Le diamètre des microcapsules peut être préférentiellement compris entre 1 µm et 50 µm, et encore plus préférentiellement entre 10 µm et 40 µm.
On peut aussi faire varier la proportion de phase organique encapsulée.
Les microcapsules selon l’invention sont (bio)dégradables.
Exemples
Pour permettre à l’homme du métier de reproduire l’invention on donne ici deux exemples de mise en œuvre ; il ne limite pas la portée de l’invention.
Exemple 1 :
  1. Préparation de l’émulsion
11,0 g d’huile essentielle (Eucalyptus) ont été placées dans un bécher, 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.
  1. 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 donc remplies.
Lafigure 2montre une image de microscopie optique du milieu réactionnel après 5 h de réaction. Les microcapsules sont sphériques, avec un diamètre compris entre environ 10 µm et environ 25 µm. Lafigure 3montre 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-1à 3400 cm-1, ainsi que une bande étroite caractéristique d’une liaison C=O vers 1727 cm-1.
Lafigure 4montre une micrographie optique de microcapsules séchées sur lame de verre. Leur diamètre est d’environ 30 µm à 35 µm. Lafigure 5montre 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 :
  1. Préparation de l’émulsion
11,0 g d’une solution thermo-chromique (bleue 10°) ont été introduits dans un bécher, 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
  1. 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.
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 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).
Un premier test de dégradabilité a été effectué selon la procédure suivante :
  1. Synthèse du poly(beta-amino ester)
Dans un bécher, 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 (trimethylolpropane 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 –NH/acrylate= 2.
Le polymère récupéré après 5h de réaction a été lavé trois fois à l’acétone et séché à l’étuve.
  1. 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.
Lafigure 8montre 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.

Claims (10)

  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-amino ester).
  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’-(-O(C=O)-CH=CH2)navec n ≥ 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 O[CH2C(CH2OR)3]2où 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)nNH2où n est un nombre entier qui peut typiquement être compris entre 1 et 20, et qui est de préférence 2 ou 6 ;
    • les (multi)amines primaires comme la tris(2-aminoéthyl)amine ;
    • les diamines secondaires comme la pipérazine ;
    • les polymères possédant des amines primaires et ou secondaires comme 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 :
    • les 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. Microcapsule renfermant une substance dite active, caractérisée en ce que sa paroi est formée de poly(beta-amino ester).
  10. Microcapsule selon la revendication 9, caractérisée en ce qu’elle présente un diamètre moyen compris entre 100 nm et 100 µm, de préférence entre 1 µm et 50 µm, et encore plus préférentiellement entre 10 µm et 40 µm.
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