La microencapsulation concerne les technologies qui permettent la préparation de microparticules contenant une substance active.
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Les microparticules ont une taille comprise entre environ 1 µm et 1 mm et peuvent contenir entre 5 et 90 % (en masse) de substance active. Les substances actives sont d'origines très variées : principes actifs pharmaceutiques, cosmétiques, additifs alimentaires, produits phytosanitaires, essences parfumées, micro-organismes, cellules, ou encore catalyseurs de réaction chimique... Les matériaux enrobants sont des polymères d'origine naturelle ou synthétique. Il existe plusieurs types de microparticules :
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La surface des microparticules peut également être fonctionnalisée en greffant des molécules actives ou des molécules susceptibles d'être reconnues par une cible. Dans le cas d'une utilisation en pharmacologie , la surface des microcapsules peut être rendue moins visible vis à vis du système immunitaire (les particules sont alors moins détectables par les systèmes de reconnaissance de l'organisme) en les enrobant par un polymère comme le polyethylene glycol.
Sur le plan industriel, la microencapsulation est utilisée avec des objectifs divers : assurer la protection, la compatibilité et la stabilisation d'une matière active dans une formulation, améliorer la présentation d'un produit, masquer un goût ou une odeur, modifier et maîtriser le profil de libération d'une matière active pour obtenir, par exemple, un effet retard.
Les techniques qui sont présentées ci-dessous se rapportent à la fabrication de microparticules creuses : les microcapsules.
La membrane polymérique de la microcapsule est créee par synthèse du polymère in situ. La technique repose sur la présence de deux monomères réactifs solubles respectivement dans chacune des phases d'une émulsion. La réaction de polymétisation se déroule à l'interface Eau / Huile créant ainsi la paroi d'une capsule.
Le polymère est par exemple le nylon 66. La réaction de synthèse est extrêmement simple. Elle est basée sur la réaction de Schotten- Baumann dans laquelle un chlorure d'acide réagit avec une amine. Si un dichlorure d'acide est mis en présence d'une diamine, on obtient un polymère : un nylon.
Pour que le polymère nouvellement synthétisé constitue la membrane de la microcapsule, il faut que certaines conditions soient respectées.
On part d'une émulsion E/H dans laquelle un des monomères est soluble dans la phase aqueuse et très peu soluble dans la phase organique (ici, l'hexamethylène diamine) alors que l'autre monomère est soluble dans la phase organique et très peu soluble dans la phase aqueuse (ici, le dichlorure de terephtaloyle). La réaction de polymérisation se déroulera alors à l'interface eau/huile.
| - Etape 1 : Formation de l'émulsion | |
| - Etape 2 : Réaction de polymérisation | |
| - Etapes 3 et 4: Arrêt de la réaction de polymérisation et récupération des capsules |  Image en microscopie optique |
Une photographie de capsule obtenue par polymérisation interfaciale en microscopie à balayage de capsules est visible sur le site de l'Institut Charles Sadron de Strasbourg (CNRS).
D'autres polymères peuvent être générés par polymérisation interfaciale, des polyesters par exemple.
La coacervation est un phénomène colloïdal qui implique la diminution de solubilté d'un polymère dans un solvant par addition de quantité importante de différents composés : un alcool, un deuxième polymère plus soluble ou un sel (sulfate de sodium). Les molécules de polymère qui sont désolvatées coalescent et forment des gouttelettes, dites gouttelettes de coacervat.
Si la coacervation se fait dans un milieu ou il y a deux phases, les gouttelettes de coacervat se regroupent à l'interface créant ainsi une membrane. Il suffit alors de durcir la membrane, de la rendre plus résistante par des réactions de crosslinking entre les molécules de polymère.
La coacervation est déclenchée par addition d'un alcool concantré, par exemple de l'éthanol à 50% ou du sulfate de sodium
La coacervation complexe repose sur le même principe que la coacervation simple excepté que :
De nombreux polymères peuvent être utilisés. Pour ne citer que les plus courants :
Le polymère destiné à constituer
la membrane de la capsule est solubilisé dans un solvant organique volatil.
Une solution aqueuse incluant la substance à encapsuler ainsi qu'un surfactant
est ensuite utilisée pour créer une émulsion E/H par mélange
avec le solvant organique contenant le polymère.
Une deuxième solution aqueuse contenant un surfactant est mélangée
au système précédent. On obtient une émulsion complexe
E/H/E. Par évaporation du solvant organique sous pression réduite,
on provoque la précipitation du polymère entre les deux phases
aqueuses. Il suffit ensuite de séparer les capsules formées du
milieu aqueux dispersant.
Il s'agit d'une technique d'autoassemblage de polymères de charge opposée pour former les membranes. Elle consiste à adsorber séquentiellement des polyélectrolytes chargés positivement et négativement sur des particules minérales ou organiques qui constituent le cœur de la particule. Le coeur peut être de la calcite, du latex ou encore de la silice. Selon sa nature, la taille du coeur peut varier de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres.. Après destruction du cœur dans un milieu adapté, on dispose alors de nano- ou de microcapsules creuses. Pour encapsuler un produit, on le mélange avec le matériau du coeur avant d'engager les dépôts successifs de polyélectrolytes de charge opposée.
Les microcapsules sont fabriquées en absorbant du chlorure de polyalkylamide (PAH) sur une particule fabriquée à partir d'un mélange de carbonate de sodium, de nitrate de calcium et de polystyrene sulfonate de sodium (PSS). Le carbonate de calcium du coeur est ensuite solubilisé par un ajout d'ethylenediamine tetraacétate (EDTA) pour donner une microcapsule de moins de 10 µm. Une couche supplémentaire de PSS peut être déposée sur celle de PAH et ainsi de suite. |
Le dépôt de couche de polyélectrolyte peut ne pas se limiter à une seule couche de chaque polymère chargé. On peut effectuer des dépôts successifs de plusieurs couches. Cela augmente bien entendu la taille finale de la microcapsule.
L'utilisation d'enzymes à des fins industrielles présente souvent des difficultés opératoires et impose des contraintes de coût. Séparer l'enzyme de la phase soluble principale où se produit la réaction peut présenter divers avantages : possibilité de récupération et de recyclage de l'enzyme, meilleure stabilité, contrôle du microenvironnement réactionnel ...
Une des possibilités pratiques pour réaliser ces conditions est d'encapsuler l'enzyme.
Le principe de l'encapsulation repose sur deux opérations successives:
La microencapsulation par séparation de phase (coacervation) ou par polymérisation interfaciale sont les 2 méthodes les mieux adaptées à l'encapsulation des enzymes. Cependant, les enzymes perdent souvent une partie de leur activité au cours du processus.
Il y a 2 raisons principales à cela :
Si les enzymes sont encapsulées dans de bonnes conditions :
Après réalisation d'une microémulsion, l'enzyme sera encapsulée dans une membrane semi-perméable par polycondensation interfaciale à température ambiante. La réaction de polycondensation met en jeu la création de liaisons amide entre un dichlorure d'acide (le chlorure de téréphtaloyle) et une diamine (1,6- hexanediamine). C'est la réaction de base de synthèse des nylons.
Quelques indications utiles sur les composés chimiques utilisés :
L'émulsion est faite avec un agitateur magnétique (on utilise un bâton magnétique de 4 cm de longueur). Il faut que la longueur du barreau magnétique soit légèrement inférieure au diamètre du bécher utilisé pour la réaction.
Le processus est endothermique, la température du mélange s'abaisse spontanément.
Il faut ajouter la solution progressivement (2 gouttes /s) sous agitation continuelle pendant 3 minutes. Poursuivre l'agitation magnétique pendant 2 min. supplémentaires.
Les microcapsules sont ensuite remises en suspension dans 4 ml de Tween 20 à 50% tamponné par du Tris 0. 1 M, pH 9. On complète ensuite le volume à 15 ml de Tris 0, 1 M , pH 9
Attention:
Il faut réaliser l'addition de Tween très lentement , c'est l'opération la plus délicate du protocole.
L’observation au microscope permettra de vérifier que le transfert dans le Tween n’a pas provoqué la rupture des capsules.
Faire 2 types essais :
Essai type 1 : 1.5 ml de tampon + 0.5 ml de pNPP + 100µl de microcapsules
Essai type 2 : 1.5 ml de tampon + 0.5 ml de pNPP + 5 µl d’enzyme libre à 1 mg /mL (sol de départ à 10 mg/mL diluée 10 fois)
Pour chaque type préparer 2 cuves:
Laisser la réaction sera donc opérante pendant 3 min à température ambiante (méthode en 2 points entre 2 min.et 5 min).
Pour arrêter la réaction ( à 2 min ou à 5 min) on ajoute 1 ml de NaOH 2 M. Agiter.
Centrifuger 5 min à 10 000 g avec une centrifugeuse de paillasse pour éliminer les capsules en suspension avant de faire la lecture en spectrophotométrie à 405 nm