Soutenance mémoire
Un intérêt de plus en plus vif vis-à-vis de matériaux polymères pouvant se dégrader à des vitesses raisonnables et en fonction de conditions biologiques et environnementales précises s’est fait sentir ces dernières années. Cette demande accrue vise tout à la fois à l’obtention de polymères pour la grande consommation, comme actuellement le poly(acide lactique), et de polymères de spécialité pour des applications ciblées (matériaux biomédicaux, peintures érodables, précurseurs de matériaux nanostructurés, enrobage de graines ou de principes actifs…).
La majorité des polymères biodégradables utilisés à l’heure actuelle font partie de la classe des poly(α-hydroxyacide) comme le poly(acide lactique), PLA, le poly(acide glycolique), PGA ou la poly(ε-caprolactone), PCL. Le principal inconvénient de cette variété de polymères est qu’ils sont difficilement fonctionnalisables et ne permettent pas de couvrir l’ensemble des usages.
Un polymère a retenu l’attention de notre laboratoire depuis quelques années : le polyglyoxylate de méthyle (PGMe). En effet, celui-ci possède des fonctions ester pendantes qui peuvent être modifiées. De plus, le PGMe présente des propriétés particulièrement intéressantes en terme de biodégradation et de toxicité. Cependant, lors de sa dégradation, il libère du méthanol ce qui est rédhibitoire pour une utilisation en médecine/pharmacie.
LES POLYMERES BIODEGRADABLES
Les polymères biodégradables sont actuellement en plein essor de par leurs nombreuses applications à hautes valeurs ajoutées, telles que les matériaux à usage médical (sutures, broches, prothèses chirurgicales…) ou à usage pharmaceutique (matrice à libération contrôlée de principe actif…). De nombreuses autres utilisations sont envisagées afin de remplacer les polymères à hauts tonnages industriels (polyéthylène, polychlorure de vinyle…) et limiter leurs importants effets néfastes sur l’écologie. Ainsi, de nouvelles applications ont fait leurs apparitions comme les paillis et les bandes d’ensemencement en agriculture ou encore des sacs à lessives utilisés en milieu hospitalier .
La définition de la biodégradation, et des polymères biodégradables en général, étant très controversée dans la littérature, il est important de commencer cette partie bibliographique en posant quelques définitions ainsi que quelques généralités sur les processus qu’englobe la biodégradation.
Généralités
L’un des premiers polymères dit biodégradable n’était en réalité qu’un matériau biofragmentable : un polyéthylène additivé d’amidon. Il nous a alors semblé nécessaire de définir quelques termes usuels :
• dégradation : perte des propriétés fonctionnelles du matériau,
• biodégradation : capacité intrinsèque d’un matériau à se décomposer sous l’action des micro-organismes pour finalement se convertir en dioxyde de carbone, eau et/ou méthane et une nouvelle biomasse(2),
• biofragmentation : fragmentation d’un matériau sous l’action de micro-organismes(3) ,
• bioassimilation : phénomène par lequel la (micro)faune et/ou la (micro)flore, constituants élémentaires de la biomasse, utilise(nt) un matériau comme nutriment(2) ,
• biorésorbabilité : aptitude d’un matériau à se dégrader et se résorber in vivo, pouvant être éliminé par les voies naturelles par simple filtration des sous-produits de dégradation ou après leur métabolisation(4) ,
• biocompatibilité : capacité d’un matériau à assurer une fonction avec une réponse appropriée et sans effets indésirables sur l’environnement biologique dans lequel il est appelé à fonctionner(4), c’est-à-dire, capacité d’un matériau à être toléré par l’organisme et qui n’engendre aucune toxicité.
Les processus mis en jeu lors de la biodégradation sont nombreux et complexes et font intervenir deux principales étapes :
– la première correspond à la fragmentation du polymère par rupture des chaînes (par voie chimique, biologique, mécanique, thermique…). Elle permet d’augmenter la surface de contact avec les microorganismes.
– la seconde est la biodégradation proprement dite par attaque du matériau par les microorganismes.
De ce fait, la biodégradation est influencée par de nombreux facteurs dont :
– les paramètres physico-chimiques du milieu (température, teneur en eau, pH…),
– les paramètres microbiologiques du milieu (colonisation microbienne),
– la structure et les propriétés du matériau (degré de polymérisation, hydrophilie, porosité, cristallinité…),
– la synthèse et le procédé de fabrication du matériau (composition, épaisseur, conditions de mise en œuvre…).
Selon Averous(5), les polymères biodégradables, peuvent être classés dans deux groupes suivant leur origine (naturelle ou synthétiques) et dans plusieurs sous-groupes suivant la méthode de synthèse ou le motif de répétition .
Les agro-polymères sont issus de la biomasse et de ses dérivés, donc directement de la nature, alors que les bio-polymères sont des polyesters obtenus par fermentation, tels que les polyhydroxyalcanoates (PHA), ou par synthèse de monomères issus de la biomasse, polyacide lactique (PLA), ou issus de ressources fossiles, polycaprolactone (PCL), polyesteramides (PEA). En règle générale, les produits issus de la nature se dégradent beaucoup plus rapidement que ceux provenant de la pétrochimie, mais ne permettent pas de couvrir l’ensemble des applications. Il est alors apparu indispensable de s’intéresser et de synthétiser de nouveaux polymères (bio)dégradables capables de remplacer à terme la plupart des matériaux actuellement utilisés. Ainsi, la principale famille de polymères synthétiques biodégradables est constituée de polyesters (PCL, PLA, PGA…). Un facteur important pour leur biodégradation est leur susceptibilité à se dégrader par hydrolyse. La dégradation se produit par coupures des liaisons esters de la chaîne polymère, pour libérer des fragments (oligomères, monomères(6)) plus facilement décomposables par les micro-organismes. Les réactions mises en jeu lors de leur biodégradation sont identiques à celles des polymères naturels, c’est-à-dire qu’elles sont typiquement catalysées par des enzymes et se produisent en milieu aqueux.
Polymères biodégradables usuels
Les polymères actuellement les plus connus et les plus utilisés en médecine pour leurs propriétés biodégradables, biocompatibles et biorésorbables sont :
• la poly(ε-caprolactone) (PCL) synthétisée par polymérisation par ouverture de cycle de l’ε-caprolactone,
• le poly(acide lactique) (PLA) qui possède un centre asymétrique qui lui confère une large gamme de propriétés selon sa tacticité,
• le poly(acide glycolique) (PGA).
L’intérêt pour les polyesters aliphatiques simples tel que le PLA, est apparu dans les années 1930 avec les travaux de Carothers(7). Des applications médicales sont apparues dans les années 1970 en raison de la capacité du corps humain à dégrader ces matériaux. Dès lors, le plus simple des poly(α-hydroxyacide)s, le PGA a lui aussi été utilisé avec succès pour des sutures chirurgicales dégradables .
Le PGA est habituellement synthétisé par polymérisation par ouverture de cycle d’une dilactone à base d’acide glycolique, le glycolide , à l’aide d’un catalyseur tel qu’un sel d’étain ou de zinc. De la même manière, le PLA est obtenu à partir du lactide. Jusqu’alors, la synthèse directe des PLA par polycondensation de l’acide lactique était limitée car elle ne permettait d’obtenir que des PLA de faibles masses molaires. Cependant, une récente étude(9) utilisant une catalyse par de l’acide succinique et un sel d’étain permet d’atteindre des masses de 6.10⁴ g.mol-1 .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : BIBLIOGRAPHIE
I.1 – LES POLYMERES BIODEGRADABLES
I.1.1 – Généralités
I.1.2 – Polymères biodégradables usuels
I.1.3 – Polymères issus des micro-organismes
I.2 – POLYGLYOXYLATE DE METHYLE
I.2.1 – Synthèse du polyglyoxylate de méthyle
I.2.1.a – Purification du glyoxylate de méthyle
I.2.1.b – Température plafond et choix de la température de polymérisation
I.2.1.c – Conditions de polymérisation du GMe
I.2.1.d – Blocage des extrémités hydroxyles du PGMe
I.2.2 – Saponification contrôlée du PGMe
I.2.3 – Dégradation du PGMe
I.2.4 – Toxicité du PGMe
I.2.5 – Applications pharmaceutiques
I.2.5.a – Etude de la libération prolongée du métoprolol
I.2.5.b – Etude de la libération rapide de la progestérone
I.2.6 – Conclusion
CHAPITRE II : SYNTHESE ET CARACTERISATION DU POLYGLYOXYLATE D’ETHYLE
II.1 – PURIFICATION DU GLYOXYLATE D’ETHYLE
II.1.1 – Purification du glyoxylate d’éthyle (GEt)
II.1.2 – Choix de la quantité de P2O5
II.2 – ETUDE DE LA POLYMERISATION DU GLYOXYLATE D’ETHYLE
II.2.1 – Détermination de la température plafond
II.2.2 – Etude des conditions de polymérisation du GEt
II.2.2.a – Choix de l’amorceur de polymérisation
II.2.2.b – Influence de la concentration en amorceur
II.2.2.c – Choix du solvant de polymérisation
II.3 – ETUDE DU BLOCAGE DES EXTREMITES DU POLYGLYOXYLATE D’ETHYLE PAR DES FONCTIONS ISOCYANATE
II.3.1 – Terminaison uréthane avec des isocyanates
II.3.2 – Comparaison des Mn SEC et RMN
II.3.3 – Analyse RMN 13C
II.4 – PROPRIETES THERMIQUES
II.4.1 – Analyse enthalpique différentielle
II.4.2 – Analyse thermo-gravimétrique
II.4.2.a – Influence du blocage des extrémités
II.4.2.b – Influence de la longueur de chaîne
II.4.2.c – Analyses isothermes
II.5 – CONCLUSION
CHAPITRE III : COPOLYMERISATION DU STYRENE PAR ATRP
III.1 – PRINCIPE DE L’ATRP
III.2 – CARACTERISATION DU MACROAMORCEUR
III.2.1 – Caractérisation du macroamorceur par RMN 1H, 13C et SEC
III.2.2 – Caractérisation du macroamorceur par spectrométrie de masse
III.3 – COPOLYMERISATION DU STYRENE PAR ATRP
III.3.1 – Choix des conditions de polymérisation
III.3.2 – Copolymérisation du styrène en masse
III.4 – ETUDE CINETIQUE
III.5 – ANALYSE THERMO-GRAVIMÉTRIQUE
III.6 – ETUDE DE LA STABILITE DU BR-PGET-BR
III.7 – CONCLUSION
CHAPITRE IV : DEGRADATION DU POLYGLYOXYLATE D’ETHYLE
IV.1 – ETUDE PRELIMINAIRE SUR MOLECULES MODELES
IV.1.1 – Hydrate de l’acide glyoxylique
IV.1.2 – Dégradation de l’hydrate de glyoxylate d’éthyle
IV.1.3 – Diéthoxyacétate d’éthyle
IV.1.4 – Mécanisme de dégradation du HGEt
IV.2 – DEGRADATION DU POLYGLYOXYLATE D’ETHYLE
IV.2.1 – Etude à 37°C en atmosphère saturée en eau
IV.2.1.a – Prise en eau
IV.2.1.b – Perte de masse
IV.2.1.c – Chromatographie d’exclusion stérique
IV.2.1.d – Analyse enthalpique différentielle
IV.2.1.e – Interprétations
IV.2.2 – Etude à 37°C dans l’eau
IV.2.2.a – Suivi pHmétrique
IV.2.2.b – Suivi par RMN 1H
• Identification des molécules libérées
• Cinétiques de libération des espèces
• Influence du pH
IV.2.2.c – Spectrométrie de masse
• Impact électronique (IE)
• Ionisation chimique (IC)
• Analyse des molécules modèles
• Analyse des produits ultimes de dégradation du PGEt
IV.3 – CONCLUSION
CHAPITRE V : BIODEGRADABILITE ET TOXICITE DU POLYGLYOXYLATE D’ETHYLE
CONCLUSION GENERALE
