La poly (ε-caprolactone)

Poly (ε-caprolactone)

Propriétés de la PCL

La poly (ε-caprolactone) (PCL) est un polyester composé de motif acide 6- hydroxycaproïque.

La poly (ε-caprolactone) a été synthétisée pour la première fois par Carothers et al [1] dans les années 30. Par la suite, la PCL est devenue rapidement un produit commercial, car elle était à l’époque l’un des rares polymères dégradables par les microorganismes.La PCL est un polymère semicristallin, possédant une température de transition vitreuse (Tg) de -60°C et un point de fusion de l’ordre de 60°C. [4]. La PCL est soluble dans le chloroforme, le dichlorométhane, le benzène, le toluène, le 2-nitropropane ; peu soluble dans l’acétone, la butan-2-one, l’acétate d’éthyle, le diméthylformamide et l’acétonitrile, et insoluble dans les alcools, l’eau, l’éther de pétrole et dans le diéthyl éther[12].La différence de solubilité entre la PCL et le poly(éthylène glycol)permet de confirmer que c’est un bon couple pour former des molécules amphiphiles. Cependant, ces molécules hydrides doivent être biocompatibles.

Dégradation de la PCL

Il est important de préciser qu’un polymère biocompatible n’est pas forcément biodégradable ou biorésorbable. Dans le cas d’un polymère non biodégradable, celui-ci peut être partiellement détruit mais non-éliminé et ainsi rester ou se déplacer dans le corps, loin du site d’action original. Par opposition, un polymère biodégradable, correspond à des structures qui sont totalement éliminées. Ces définitions des termes de biodégradabilité et bioabsorbabilité s’appuient sur le travail de Vert et al [5].

Les PCL peuvent être biodégradées par des organismes exogènes à l’humain comme certains champignons et certaines bactéries, mais ne sont pas biodégradables dans les organismes des mammifères et des humains à cause de l’absence d’enzyme spécifique [13].Mais cela ne signifie pas qu’ils ne sont pas biorésorbables, mais plutôt que le processus est plus long. La dégradation est alors amorcée et propagée via une série de réactions d’hydrolyse. Il est connu que la dégradation des liens poly(α-hydroxy) a lieu soit en surface, soit dans la masse ou bien alors une dégradation dans la masse, auto-catalysée par la présence des produits de dégradation (Figure 2).

La dégradation de surface est liée à une hydrolyse de la PCL favorisée en périphérie. Cela est causé par une hydrolyse plus rapide des chaînes de la PCL disposées à l’extérieur que l’intrusion de l’eau à l’intérieur de la structure du polyester. La dégradation en masse a lieu quand l’eau est capable de pénétrer dans la masse du polymère, et ainsi dégrader le polymère par hydrolyse interne. Les oligomères et les monomères formés peuvent diffuser ensuite à travers le polymère ou rester à l’intérieur ce qui catalyse ainsi la dégradation. Il y a alors dégradation de l’intérieur vers l’extérieur.

La dégradation est de nature chimique et non enzymatique. La vitesse ainsi que le mode de dégradation sont influencés par la masse molaire, le type de polymère (homopolymère ou copolymère) ou encore par la cristallinité de la PCL. Les zones cristallines résistent particulièrement bien à l’hydrolyse alors que les zones amorphes sont beaucoup plus sensibles.

De plus, il est reconnu copolymérisé des chaînes hydrophiles avec la PCL, comme de le poly(éthylène glycol), permet de réduire son hydrophobicité et la quantité de zones cristallines et ainsi d’augmenter la vitesse de dégradation [14]. La nature hydrophobe, la biocompatibilité ainsi que les différentes propriétés citées précédemment, font de la PCL un polymère particulièrement étudié pour des applications d’ordre biomédical.

Synthèse des PCL via polymérisation par ouverture de cycle

La polymérisation par ouverture de cycle (ROP : Ring Opening Polymerization) de la 2- oxépanone, nommée plus couramment ε-caprolactone (ε-CL), constitue la meilleure voie de synthèse pour l’obtention de PCL de dimensions et de propriétés définies. L’ouverture de monomère cyclique ε-caprolactone légèrement contraint permet de déclencher plus facilement la polymérisation (Schéma 1).

Cette approche permet la synthèse de PCL de masse molaire élevée avec une polydispersité mieux contrôlée. Cette voie de polymérisation s’oppose à la polycondensation par ses conditions beaucoup plus douces : température bien moins élevée et des cinétiques plus rapides.

Synthèse des monomères d’ε-caprolactone

Il existe plusieurs voies pour synthétiser le monomère cyclique ε-caprolactone. La plus utilisée est l’oxydation de la cyclohexanone par un peracide comme l’acide peracétique connue sous le nom de réarrangement de Baeyer-Villiger. Cette synthèse s’est généralisée dans l’industrie (Schéma 2). Ce procédé est utilisé par Solvay [15]. Schéma 2 : Synthèse de l’ε-caprolactone à partir de la cyclohexanone Il existe une seconde approche de synthèse plus originale mais peu exploitée. Certains organismes dont Acinetobacter sp. produisent de l’acide adipique à partir du cyclohexanol (Schéma 3), via l’intermédiaire ε-caprolactone et l’acide 6-hydroxycaproïque[16].Il est donc possible par ingénierie métabolique de produire les précurseurs des PCL.

Les monomères sont ensuite polymérisés en présence d’amorceur. Le choix de l’amorceur et les conditions de polymérisation influencent les mécanismes de la polymérisation.

Applications

Ce type de produits a été surtout destiné à des applications à haute valeur ajoutée à cause du prix élevé de la matière première. De nos jours, on continue avec ce type d’applications mais à cause de la diminution remarquable du prix, la PCL est envisagé pour la fabrication d’autres produits d’une valeur ajoutée plus basse.

Applications médicales et pharmaceutiques

Les PCL sont bien adaptés à une utilisation comme matériels orthopédiques à cause de leur biodégradabilité, biocompatibilité et thermoplasticité. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des prothèses pour le replacement des os, des pièces plates d’acier, des broches, ou d’autres objets.

Une des performances les plus intéressantes est la possibilité de contrôler la vitesse de dégradation de façon à ajuster la diminution de résistance du matériel polymère de support en même temps que se produit la réparation de l’os fracturé. On peut de cette façon éviter la nécessité de retirer la pièce après réparation par rapport à l’utilisation d’une pièce de métal [17].

Ce type de matériaux a une grande résistance initiale, qui peut diminuer après 4 semaines d’environ 10%. Après 12 mois, il peut disparaître totalement. Ce type de polymères peut aussi être utilisé pour fabriquer des fils de suture résorbables [18].

Les polymères de PCL peuvent être utilisés comme matrice dégradable pour la libération contrôlée de substances bioactives [19]. Les avantages de l’utilisation de ces polymères sont entre autres la disparition sans traces de la matrice polymère, la possibilité d’adapter le procédé de dégradation selon les applications, la prolongation du temps de demi-vie de l’agent actif (en conséquence on assure un dosage soutenu et contrôlé, en évitant des concentrations toxiques), l’incorporation de la substance active peut être obtenue à partir d’une solution à l’état fondu grâce aux propriétés thermoplastiques de ces polyesters ainsi que de sa structure polaire qui permet l’insertion de substances polaires et bioactives. Grâce à tous ces avantages, de petits réservoirs peuvent être fabriqués pour la délivrance contrôlée des principes actifs comme des gélules ou des capsules [20].

Applications comme films/emballages

Durant les dernières années, en raison de la chute du prix du PCL, il est envisagé d’utiliser ce type de polymères dans le domaine des plastiques. De la même façon qu’avec d’autres types de polymères il est nécessaire d’ajouter des stabilisants, des inhibiteurs-UV, des plastifiants, des agents de renforcements ou d’autres additifs pour obtenir un matériau plastique répondant à un cahier des charges donné. Dans le cas du PCL, il faut chercher essentiellement à le stabiliser contre la dégradation thermique et à augmenter sa flexibilité et d’autres propriétés mécaniques dans le cas des films. Des applications ont été développées dans la production de nappes pour la fabrication de films de paillage agricole ou pour la conversion en produits d’hygiène comme les couches, les robes ou blouses pour les hôpitaux ou applications similaires. Il ya aussi des applications dans la fabrication de films soufflés pour la fabrication des emballages. Dans ce cas, il est nécessaire d’additionner un stabilisant comme du peroxyde qui réticule le polymère, améliore la stabilité à l’état fondu et diminue la fragilité. Un plastifiant peut aussi être ajouté de façon à diminuer la température de transition vitreuse jusqu’à une valeur proche de la température ambiante; le film devient facilement collant. Dans le cas de la fabrication des films pour emballage, il est aussi important d’assurer de bonnes propriétés barrières à la vapeur d’eau et aux gaz. Les propriétés barrière à la vapeur d’eau pour les films de PCL sont beaucoup plus mauvaises que dans le cas du PE ou PP, tandis que les propriétés barrières à l’oxygène sont meilleures. L’orientation bi-axiale, la co-extrusion et l’utilisation de différents revêtements peuvent améliorer les propriétés barrière à la vapeur d’eau.

Dans le cas des films en contact avec des aliments, il est nécessaire de choisir convenablement le plastifiant de façon à éviter des problèmes de migration. Il est possible aussi de fabriquer des films par coulage ou des feuilles à plat par extrusion qui peuvent être transformés après par thermoformage. La PCL peut être utilisé, en substitution à d’autres matériaux plastiques comme le PE, pour la fabrication d’emballages en association avec le papier. Ce polymère a la fonction de barrière à l’humidité et, à la différence d’autres polymères de synthèse issus de la pétrochimie, il facilite le recyclage du papier ou son compostage.

Nano-biocomposites

Les « nano-biocomposites » sont des systèmes multiphasés et hybrides constitués d’une matrice biopolymère (polymère biodégradable et/ou biocompatible) dans laquelle sont dispersées des charges de taille nanométrique. Les biopolymères représentent une alternative intéressante aux polymères synthétiques non dégradables classiques pour des applications à durée de vie limitée (emballages ou pour le domaine biomédical). Cependant pour répondre à des cahiers de charge industriels, certaines propriétés de ces polymères doivent être améliorées. Ces améliorations peuvent être obtenus en incorporant des nanocharges, telles que des argiles lamellaires (montmorillonites organo-modifiées). En effet, la structure de la montmorillonite consiste en un empilement lamellaire qui, une fois exfolié, libère des feuillets de 1 nm d’épaisseur dans la matrice.
Ces nano-feuillets peuvent par exemple permettre de diminuer la perméabilité aux gaz (en augmentant la tortuosité au sein du matériau), de renforcer les propriétés mécaniques (rigidité), d’améliorer la stabilité thermique et parfois de modifier la cristallinité et donc avoir un impact sur la transparence du matériau, sa biodégradabilité et sa bio-assimilation.

Poly (ε -caprolactone) et ses nanocomposites

Les nanocomposites poly (ε-caprolactone)/Montmorillonite sont une nouvelle classe de matériaux biodégradables. Ils constituent une alternative respectueuse de l’environnement à certains matériaux de commodité inertes tels que les polyoléfines. La dispersion de quelques pourcents d’une argile de type montmorillonite au sein de la matrice Poly(ε-caprolactone) (typiquement de 3 à 5 % en poids) suffit en effet à accroître de façon significative les propriétés de résistance mécanique ainsi que les propriétés barrières aux gaz de ces matériaux et ce, tout en maintenant des propriétés de biodégradabilité intéressantes [23-26]. Le degré de dispersion des feuillets au sein de la matrice Poly(ε-caprolactone) constitue un paramètre fondamental régissant les propriétés finales des nanocomposites poly(ε-caprolactone)/ Montmorillonite. Cette dispersion peut être contrôlée en améliorant la compatibilité entre l’argile et le polymère et/ou en jouant sur les procédés d’incorporation.

Ainsi, les argiles naturelles peuvent être préalablement traitées par des agents surfactants dans le but de les rendre plus compatibles avec la matrice polymère organique. En pratique, ces surfactants sont des cations alkyles ammonium qui, par le biais d’une réaction d’interchange, se substituent aux contre-ions sodium présents à la surface des feuillets naturels. La dispersion des feuillets peut être également très différente selon que les nanocomposites sont préparés par incorporation de l’argile au départ de l’état fondu ou bien obtenue par polymérisation in situ du monomère(ε-caprolactone) en présence des argiles.

La synthèse in situ de nanocomposites poly (ε-caprolactone)/Montmorillonite consiste à la polymérisation de l’ ε-caprolactone en présence de l’argile modifiée. La méthode utilisée dans ce cadre, repose sur l’amorçage de la réaction de polymérisation par un catalyseur conventionnel tel que les alcoolates de métaux.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I : Etude bibliographique sur les copolymères et les nanocomposites à base de poly (ε-caprolactone)-poly éthylène glycol-poly (ε-caprolactone), synthèse et caractérisation
I- Introduction
I.1- Classes des polymères biodégradables
I.2- Polymères biodégradables issus de ressources fossiles (pétrochimiques)
I.2.1- Dégradation des matériaux polymériques
I.2.2- Biodégradions des polymères
I.3- Les différentes étapes de la biodégradation
I.4- Les facteurs biologiques de la biodégradation
I.4.1- Les microorganismes
I.4.2- Les enzymes
II- Poly (ε -caprolactone)
II.1- Propriétés de la PCL
II.2- Dégradation de la PCL
II.3- Synthèse des PCL via polymérisation par ouverture de cycle
II.4- Synthèse des monomères d’ε-caprolactone
II.5- Application
II.5.1- Applications médicales et pharmaceutiques
II.5.2- Applications comme films/emballages
II.6 – Nano-biocomposites
II.7- Poly (ε -caprolactone) et ses nanocomposites
III- Synthèse de copolymère à bloc poly (ε-caprolactone) – poly (éthylène glycol) – (ε-caprolactone) PCL-PEG-PCL
IV- Nanocomposites de type polymère / Montmorillonite
V- Nanocomposites Hybrides
VI- La mise en oeuvre de nanocomposites
1- Modification organophile des phyllosilicates par échange cationique
VII-Elaboration des polymères à base de Montmorillonite organophiles
A- Polymérisation in situ par intercalation de monomères
B- Intercalation de polymère fondu
VIII- Techniques utilisées pour la caractérisation des nanocomposites
IX- Nanocomposites à matrice de poly (ε-caprolactone) – poly (éthylène glycol) – poly (ε- caprolactone)( PCEC)
X- Hydrogels et dérivés
X.1- Hydrogels sensibles
X.2- Propriétés de gonflements des hydrogels
X.3- Applications des hydrogels
XI- Références bibliographiques
Chapitre II : Synthèse de copolymères tri-bloc poly (ε-caprolactone) – poly (éthylène glycol) – poly (ε-caprolactone) catalysée par la Maghnite-H +
I-Introduction
II- Synthèse des copolymères tri-blocs PCL-PEG-PCL
III- Caractérisation du copolymère tri-bloc PCL-PEG-PCL
III.1-Analyse RMN 1H
III.2-Analyse RMNC
III.3-Analyse par GPC
III.4-Analyse infrarouge IR
III.5- Analyse calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
III.6- Analyse ATG
IV- Mécanisme de la réaction
IV.1-Polymérisation par ouverture de cycle cationique
IV.2- Polymérisation par ouverture de cycle anionique
IV.3- Polymérisation par activation du monomère
IV.4- Réactions secondaires
V- Conclusion
VI- Références bibliographiques
Chapitre III : Etude cinétique sur la réaction de copolymérisation du poly (ε-caprolactone)- poly(éthylène glycol)-poly(ε-caprolactone) catalysée par la Maghnite-H +
I. Introduction
II- Etude cinétique de la copolymérisation de l’ ε -caprolactone avec
le polyéthylène glycol
II.1-Effet de la température
II.1. a-Effets de la température sur le rendement
II.1.b-Effets de la température sur la masse moléculaire du produit
II.2- Effet de la quantité du catalyseur
II.2.a- Effet de la quantité du catalyseur sur le rendement
II.2.b- Effet de la quantité du catalyseur sur la masse moléculaire
II.3- Effets du temps
II.3.a- Effets du temps sur le rendement
II.3.b- Effets du temps sur la masse moléculaire
II.4- Effet du solvant
II.4.a- Effet du solvant sur le rendement
II.4.b- Effet du solvant sur la masse moléculaire du produit
III- Conclusion
IV- Références bibliographiques
Chapitre IV : Etude des propriétés de gonflement d’hydrogels de PCL-PEGx-PCL Application à la libération contrôlée de l’insuline
I. Introduction
I.1- Synthèse des hydrogels réticulés physiquement
II- Synthèse d’un hydrogel à base de l’ ε-caprolactone
II.1- Synthèse des hydrogels de PCL-PEGx-PCL
II.2- Propriétés de gonflement des hydrogels PCL-PEGx-PCL
II.3- Taux de gonflement en poids des hydrogels
III- Insuline
III.1- Libération d’insuline par des hydrogels à pH sensible
III.2- Etude de la sorption d’insuline par l’hydrogel de PCL-PEG-PCL
IV- Diffusion
V- Conclusion
VI- Références bibliographiques
Chapitre V : Elaboration et caractérisation de nanocomposites de type poly (ε-caprolactone) –Poly (éthylène glycol) – poly (ε -caprolactone)/Montmorillonite
I-Introduction
II- Traitement de la Maghnite
II.1- Préparation de la Maghnite-Na+
II.2- Préparation de la Maghnite-TBHSA
III-Caractérisation de la Maghnite-Na+ et Maghnite-TBHSA
IV- Copolymérisation in situ
IV.1- Synthèse des nanocomposites PCL-PEGx-PCL avec différentes masses de
PEG en utilisent la Maghnite-Na+
IV.2- Synthèse des nanocomposites PCL-PEGx-PCL avec différentes masses de PEG en utilisant la Maghnite-TBHSA
IV.2.1- Conditions opératoires
IV.2.2- Analyse des masses moléculaires
V- Morphologies des nanocomposites PCL-PEGx-PCL/Maghnite-TBHSA
V.1- Diffraction des rayons X (DRX)
V.1.a- Les diffractogrammes DRX des Maghnite-Na+,Maghnite TBHSA et nanocomposite PCL-PEG-PCL/ Maghnite TBHSA
V.1.b- Diffractogrammes DRX des nanocomposites PCL-PEG-PCL/Maghnite-TBHSA à différents pourcentages en Maghnite- TBHSA
V.2- Analyse thermogravimétrique ATG
V.3- Analyse DSC
VI- Propriétés attendues des nanocomposites polymère/montmorillonite Organophile
VI.1- Propriétés thermiques
VI.2- Propriétés barrières
VI.3- Propriétés thermiques des nanocomposites Poly(ε-caprolactone)-Poly(éthylène glycol)- Poly(ε-caprolactone)/Maghnite-TBHSA
VI.3.1- Analyse calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
VI.3.2-Analyse thermogravimétrique
VII- Conclusion 
VIII- Références bibliographiques
Conclusion générale
Partie expérimental

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