Microencapsulation par transacylation en émulsion à partir de polymères d'origine naturelle : étude des phénomènes interfaciaux (GREENCAPS)

par Julien Kistner

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Florence Edwards.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Sciences Fondamentales - Santé , en partenariat avec ICMR - Institut de Chimie Moléculaire de Reims (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La formulation galénique constitue un recours précieux pour optimiser la délivrance des molécules actives. Les formes nano- ou microparticulaires, notamment, permettent d'améliorer l'activité in vivo, en protégeant les substances actives contre la dégradation, en contrôlant leur vitesse de libération, et /ou en favorisant leur pénétration intracellulaire. Le secteur industriel est demandeur de nouveaux systèmes de délivrance d'actifs pharmaceutiques ou cosmétiques performants et fiables, pour améliorer l'efficacité des préparations et la sécurité du consommateur, mais aussi pour prolonger la durée d'exploitation de molécules anciennes. En cosmétologie, l'utilisation d'ingrédients d'origine naturelle est une tendance lourde du marché. Les propriétés structurales et la réactivité des polymères d'origine naturelle reconnus pour leur innocuité sont des atouts en faveur de leur utilisation pour la préparation de microparticules à libération contrôlée, pour la thérapeutique ou la cosmétique. La méthode originale par transacylation est une méthode de microencapsulation propre, évitant l'usage d'agents réticulants agressifs ou de composés organiques volatils. Elle permet d'obtenir, à partir de polymères d'origine naturelle, protéines et polysaccharides, des microparticules stables, biodégradables, d'une biocompatibilité remarquable et avec un très faible impact environnemental. Les résultats récents ont permis notamment de mettre en évidence l'importance des phénomènes interfaciaux dans le contrôle des propriétés des microparticules, comme leur morphologie interne et leur contrôle sur la libération de traceurs. Le projet comporte un premier volet fondamental visant à décrire la distribution des différents constituants de l'émulsion dans les phases liquides et aux interfaces, et à examiner en termes physico-chimiques les phénomènes de diffusion et la réactivité des espèces mises en jeu dans la réticulation. Ce volet doit permettre de mieux comprendre et de maîtriser les phénomènes élémentaires qui gouvernent la structure, l'architecture des réseaux formés, et par voie de conséquence leurs propriétés mécaniques et de perméation. Le second volet portera sur l'étude des propriétés morphologiques et fonctionnelles des microparticules obtenues, en déterminant les cinétiques de libération d'un traceur, les cinétiques de dégradation enzymatique, et les propriétés de gonflement. L'étude permettra de maîtriser la fonctionnalité des particules par le contrôle des paramètres qui gouvernent les phénomènes de diffusion interfaciaux. Les intérêts de ce projet sont multiples.  D'un point de vue fondamental, le sujet de thèse pose la question du mode de formation de réseaux entre deux polymères hydrosolubles plus ou moins amphiphiles, au sein d'une émulsion. L'influence de différentes conditions physicochimiques sur la microstructure (coupes, microscopies) et sur les propriétés du réseau (résistance mécanique, dégradabilité, porosité, …) sera étudiée. De plus, la façon dont les macromolécules constituant le réseau et le tensioactif employé pour stabiliser l'émulsion interagissent à l'interface est une autre question à laquelle la thèse devra répondre, afin de connaître l'influence de cette interaction sur la cinétique de formation du réseau.  Pour l'application finale : Il est intéressant de contrôler l'architecture interne des microparticules, pour leur envisager des applications en cosmétique ou en santé. Les travaux conduiront à une maîtrise des propriétés d'usage des particules, permettant d'adapter la méthode à des utilisations précises, comme la libération contrôlée de molécules à activité thérapeutique ou cosmétique. Les connaissances et les savoir-faire acquis au travers de ce projet doctoral multidisciplinaire, apporteront au doctorant / à la doctorante une double compétence, d'une part en physico-chimie macromoléculaire et en modification chimique des polymères naturels, et d'autre part en pharmacotechnie, au travers du développement de méthodologies propres d'encapsulation pour la santé et la cosmétique.

  • Titre traduit

    Microencapsulation by transacylation in emulsion from natural polymers : study of the intercial phenomenon


  • Résumé

    The galenic formulation is one of the most important way to optimize the delivery of active components. Objects of the nano- or micro-size are useful to increase the in-vivo activity of some active by protecting it from degradation, by controlling the speed of delivery and/or by favoring the intracellular penetration. The industrial field is asking for new, effective and stable delivery systems of pharmaceutical or cosmetic compounds in order to enhance the efficiency of the formulations and the safety for the end user, but also to extend the use of ancient molecules. In cosmetology, the use of ingredients from natural origin is a strong tendency. The structural properties and the reactivity of natural polymers are well known and are in favor of their use in controlled release microparticles formulation, for cosmetic or therapeutic use. The original method by transacylation is a clean way of microencapsulation, avoiding the use of toxic chemicals or volatile organic compounds. This method permits the preparation, from natural polymers only, of stable, biodegradable, biocompatible and with very low environmental impact microparticles. The last results showed the importance of interfacial phenomenon in the control of the properties of the microparticles as for their internal structure and their ability to control the release of actives. This project is divided in two panes. The first one is aiming at the description of the distribution of the different components of the emulsion in the liquid phases and in the interfacial area but also to study the diffusion phenomenon and the reactivity of the component from a physico-chemical point of view. This pane should permit a better understanding of the phenomenon governing the structure of the microparticles, the architecture of the created network and thus the mechanical properties and permeability of the particles. The second pane will be on the study of the morphological and functional properties of the obtained particles, by determining the release kinetic of an active, the stability towards enzymatic degradation and the swelling behavior. The study will allow the control of the functionality of the particles by controlling the parameters that are governing the interfacial diffusion phenomenon. This project has several interests: - From a fundamental point of view, the PhD project is questioning the way of formation of a network between two more or less amphiphilic, hydrosoluble polymers in an emulsion. The influence of several physico-chemical conditions on the structure and on the properties of the network (mechanical resistance, degradability, porosity…) will be studied. Moreover, the way the macromolecules constituting the network and the surfactant interact at the interface is another question this thesis will have to answer in order to know the influence of this interaction on the network formation kinetic. - For the end use it is interesting to control the internal structure of the microparticles in order to consider applications in cosmetics and healthcare. This work will lead to a mastery of the use properties of the particles, making it possible to adapt the method to a specific use such as controlled release… The knowledge and the know-how acquired through this multidisciplinary PhD project will bring to the PhD student a double skill, on one hand in macromolecular physico-chemistry and chemical modification and on the other hand in pharmaceutical technology through the development of methods for the encapsulation in healthcare and cosmetics.