Développement de mélanges à base de polylactide à durée de vie contrôlée

Développement de mélanges à base de polylactide
à durée de vie contrôlée

Modulation des propriétés d’hydrolyse

Effet de la copolymérisation sur l’hydrolyse Les copolyesters aliphatiques ont reçu beaucoup d’intérêt dans le cadre de la mise au point de bio-polymères pour application médicale (Shalaby, 1994; Schindler, 1977; Gopferich, 1996-b; den Dunnen, 1997). Parmi eux, la PεCL, le PLA, ainsi que le PGA _poly-glycolide_, et PEG sont les plus cités (Pitt, 1979; Ha, 1997). Les homopolymères PLA et PεCL se dégradent assez lentement, et la haute cristallinité de la PεCL, implique que ce polymère s’hydrolyse plus lentement que le PLA ou le PGA. Cependant, la copolymérisation d’unités aliphatiques, permet d’accéder à des caractéristiques très différentes de celles des homopolymères, puisque des cinétiques d’hydrolyse très élevées peuvent être atteintes. Les paramètres semblant contrôler les cinétiques d’hydrolyse des copolymères à base d’unités aliphatiques sont la morphologie et la cristallinité (Rashkov, 1996; Friederiche von, 1997; Li, 1996). L’effet de l’incorporation d’unité de PEG dans le PLA a montré que l’influence était significative sur l’hydrolyse à partir de 10% en masse de PEG (Friederiche von, 1997). De plus, dans le cas de copolymères di-bloc PLA-co-PEG, l’absorption d’eau semble être pilotée par le taux de PEG sur les premiers temps de 65 vieillissement alors que la cinétique globale d’hydrolyse reste piloté par la dégradation du bloc de PLA (Friederiche von, 1997; Li, 1996). Dans le cas des copolymères di-bloc et statistiques à base d’unités aliphatiques et d’unités aromatiques, c’est principalement la composition en unité aliphatique qui pilote la cinétique d’hydrolyse globale du composé (Friederiche von, 1997; Li, 1996). Globalement, à composition chimique identique, il semble que la mobilité des chaînes soit un facteur prépondérant dans l’évaluation de l’hydrolyse de polyesters (cristallinité, réticulation, …).

Effet de la réticulation sur l’hydrolyse

La réticulation chimique peut être réalisée à l’aide de divers agents de réticulation (possédants une fonctionnalité supérieure à 2). Ces réactifs assurent le développement de branchements entre chaînes, alors que les allongeurs de chaînes réalisent un simple allongement. Les réactions se font avec des fonctions de bout de chaîne ou avec des groupements fonctionnels préalablement greffés sur les chaînes (peroxydes, photo-réticulants ou monomères trifonctionnels (Södergard, 2002). Dans le cas des allongeurs de chaînes, la bibliographie s’intéresse particulièrement à l’augmentation de la longueur des chaînes après dégradation (lors d’un recyclage par exemple). Cependant, aucune étude, à notre connaissance, ne s’est attachée à étudier l’effet d’allongeurs de chaînes sur la variation de cinétique d’hydrolyse. L’utilisation d’agents de réticulation radicalaires ou photo induits peut entraîner une dégradation du PLA (Yew, 2005, Mitomo, 2005). L’utilisation de peroxydes dans le PLA conduit à une augmentation de la cinétique d’hydrolyse du polymère (Mitomo, 2005). En revanche, le greffage de fonctions réactives sur le PLA (greffage de groupements vinyliques via des peroxydes par exemple) peut entrainer la réticulation des matrices et une diminution de l’hydrolyse des matrices. Par ailleurs, l’irradiation gamma est un outil puissant de modification des propriétés des polymères, via les ruptures de chaînes et les réticulations qu’elle peut engendrer. Les ruptures de chaînes entrainent une réduction des masses molaires et une perte de propriétés mécaniques, alors que les échantillons réticulés sont plus résistants au vieillissement. De nombreux auteurs ont étudié la stérilisation de polyesters aliphatiques par irradiation gamma (Plikk, 2006). Récemment, l’irradiation gamma a été appliquée pour augmenter la dégradation hydrolytique de polyesters aliphatiques (Say, 2006-a; Say, 2006-b). Les résultats montrent que les cinétiques d’hydrolyses sont d’autant plus grandes que les 66 échantillons sont fortement irradiés. En revanche, en présence de monomères portant des insaturations, les matrices vont préférentiellement réticuler sous l’influence des rayonnements. Des études récentes ont également étudié l’amélioration des propriétés thermiques du PLA par irradiation gamma en présence d’agents de réticulation (Milicevic, 2005). De plus, l’irradiation de mélanges P(L)LA/P(D)LA, en présence d’agents multifonctionnels a montré une baisse significative des cinétiques de biodégradation (Quynh, 2007) suggérant une plus faible aptitude à l’hydrolyse enzymatique. Enfin, l’étude de la dégradation de polyesters aliphatiques réticulés a montré qu’il était possible de modifier les cinétiques de relargage de principes actifs (Loo, 2008; Chia, 980). De même, l’étude de la dégradation hydrolytique (immersion dans de l’eau tamponnée à pH = 7,4 et T = 37 °C) d’échantillon de mélanges PLA/monomères photo-réticulants irradiés, a montré des résultats contrastés sur l’influence des irradiations sur la tenue au vieillissement (Phong, 2010). Le taux de réticulation a augmenté avec les quantités d’agents et les doses d’irradiation. L’hydrolyse a été freinée et les propriétés mécaniques initiales maintenues, malgré la dégradation de la phase amorphe. Ainsi, l’obtention d’un ratio minimal entre dégradation et réticulation, semble être une piste intéressante pour réduire la sensibilité à l’eau du PLA (Waldron, 1985). A cet effet, de faibles doses d’irradiation ainsi que des taux non négligeables d’agent de réticulation (de 1 à 3% en masse) semblent être adaptés (Yoshii, 2003; Abdel-Rehim, 2004). De plus, le nombre de fonctions portés par les agents de réticulation sont directement proportionnels aux taux de réticulations possible, à concentration constante (Waldron, 1985; Abdel-Rehim, 2004). Concernant le PLA, plusieurs études ont utilisé des agents trifonctionnels (Milicevic, 2005; Mitomo, 2005; Quynh, 2007; Jin, 2002) mais une seule à notre connaissance a testé des agents tetrafonctionnels (Phong, 2010). L’utilisation de l’irradiation gamma est un outil versatile ayant un large spectre d’application et permettant d’obtenir des résultats prometteurs. Quoi qu’il en soit, les coupures de chaînes qui sont issues de l’irradiation ont tendance à détériorer l’intégrité des propriétés mécaniques des matériaux. En conclusion, on peut dire que la variation de la mobilité des chaînes joue un rôle prépondérant sur la cinétique d’hydrolyse. En effet, la génération de réticulations au sein du polymère induit de fortes baisses de la vitesse de dégradation. Cependant, les mécanismes mis en jeu lors de ces réticulations peuvent bien souvent modifier les structures et altérer d’autres propriétés. 67 III.2.3.3. Effet de mélanges sur l’hydrolyse De façon générale, cinq facteurs principaux peuvent influer sur la tenue à l’eau lorsque des charges (ou des mélanges polymères) sont additivés (Tsuji, 2007) : o La miscibilité et la dispersion o L’hydrophilie o L’acidité (ou la basicité) des groupements fonctionnels impliqués o La forme et la taille des domaines des additifs ou des polymères (en cas d’immiscibilité) o Les masses molaires des constituants Les additifs incorporés au PLA afin de modifier sa cinétique d’hydrolyse sont nombreux. Par exemple, les citrates d’esters (Labrecque, 1997), la silice mésoporeuse (Shirakase, 2005), le lactide (Nakamura, 1989), la thioridazine (Chem. Pharm. Bull., 37, 1954-1956 (1989)) et l’acide laurique (Renouf-Glauser, 2005) accélèrent cette cinétique, alors que le carbonate de zinc ou le carbonate de calcium la ralentissent (Tracy, 1999). Par ailleurs, des effets contradictoires ont été observés concernant l’incorporation de nano-argiles (Paul, 2005; Ray 2003; Maiti, 2003; Ratto, 1999; Zhou, 2008; Someya, 2007; Wu, 2006; Lee, 2002; Wu, 2007). De nombreuses études se sont attachées à modifier la sensibilité à l’hydrolyse (ainsi que la biodégradation) du PLA par mélange avec d’autres polymères de cinétique d’hydrolyse élevée (Tsuji, 2007). Par exemple, l’addition de poly-ethylène-glycol (PEG) (Nijenhuis, 1996) ou de poly-vinyl-acétate (PVA) (Pitt, 1992; Tsuji, 2001-a) ont largement été employés pour des applications médicales dans l’optique d’augmenter la sensibilité à l’hydrolyse. Les constantes cinétiques de la réaction d’hydrolyse peuvent alors être augmentées d’un facteur ~ 5 (typiquement de 2,5 10-8 s -1 à 10,9 10-8 s -1, à T = 37 °C). D’autres mélanges ont également été étudiés comme les mélanges à base de copolymères P(L,D)LA-co-GA) et du PVA, ou du PEG ou l’augmentation de l’hydrolyse était fonction du taux d’incorporation du deuxième constituant dans le mélange (Pitt, 1992; Pitt, 1993), poly(ethylene oxide) (PEO) (Younes, 1988; Nakafuku,1993; Nakafuku, 1996; Nijenhuis, 1996; Sheth, 1997; Yang, 1997; Tsuji, 2000-e). L’hydrolyse non enzymatique des mélanges incorporant des polymères plus hydrophiles que le PLA ou des copolymères P(L,D)LA a, de façon générale, montré 68 une augmentation de la cinétique d’hydrolyse, comme dans le cas des mélanges avec la cellulose (Nagata, 1998). Cependant, une exception correspond à l’acide pluronique (Park, 1992). Pour tous ces mélanges les propriétés mécaniques sont également significativement modifiées par rapport à celles du PLA pur. Dans le cas des mélanges avec du poly-acide-aspartique-co-poly-acide-lactique, les cinétiques d’hydrolyse et de biodégradation sont augmentées. De plus, la tenue en température est augmentée (Shinoda, 2003-a, Shinoda, 2003-b). D’autres études plus « exotiques » ont mélangé des ionomères au PLA et ont observé une augmentation de sa cinétique d’hydrolyse non enzymatique (Xanthos, 2008). La diminution de la cinétique d’hydrolyse du PLA par mélange a été obtenue dans le cas des mélanges P(L)LA/P(D)LA m/m 50/50 (Tsuji, 2000-d). Dans cette étude, alors que les cinétiques d’hydrolyse des constituants purs, le PLA et le P(D)LA, étaient respectivement de 1,63 10-8 s -1 et 2,48 10-8 s -1 à T = 37 °C, celle du mélange était de seulement 8,45 10-9 s -1, soit une réduction d’un facteur ~ 3. L’effet de compatibilisants sur la tenue à l’hydrolyse de mélange est ambigu. De façon générale, les mélanges étudiés sont des mélanges entre des polymères ayant des cinétiques d’hydrolyse différentes. Ainsi, la compatibilisation de l’ensemble permet d’atteindre des cinétiques d’hydrolyse intermédiaires (Wu, 2003). L’effet de la morphologie de mélanges sur l’hydrolyse a été mise en évidence dans le cas de microcavités par exemple (Drumright, 2000). Dans le cas des mélanges non compatibilisés, les mécanismes mis en jeu semblent légèrement différents puisque les cinétiques de prises en eau, en début de vieillissement sont supérieures. En revanche, aucune référence ne conclue sur d’éventuelles variations des cinétiques d’hydrolyse dans le cas de mélanges non compatibilisés, par comparaison aux composés purs.