Design one-step de nouveaux matériaux polymères 3D à microréservoirs via un procédé continu

One-step desgin of new 3D polymer materials with microreservoirs via a continuous process

• Auteur / Autrice : Dara Nguyen
• Direction : Corinne Jegat, Melinda Desse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et sciences de matériaux
• Date : Soutenance le 04/02/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....) - Ingénierie des Matériaux Polymères
• Jury : Président / Présidente : Laurent David
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nick Virgilio, Michel Grisel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poly (epsilon-caprolactone)

Polyéthylène

Huiles végétales

Matériaux poreux

Polymères

Mots clés libres

Polymères

Matériaux poreux

POE

PE

PCL

Huile de noisette

Caséinate de sodium

Amidon oxydé

Polymers

Porous materials

POE

PE

PCL

Nuts oil

Sodium caseinate

Oxidized starch

Résumé

Les matériaux polymères fonctionnels ouvrent un large champ d’applications dans de nombreux domaines tels que l’alimentaire, le cosmétique et le médical. Dans ces travaux de thèse, on souhaite formuler en milieu fondu un matériau polymère poreux à la surface duquel un principe actif lipophile est encapsulé, dans l’optique d’une libération contrôlée. Afin d’obtenir cette structure complexe en une étape, les tensions interfaciales entre les différents composés du mélange sont analysées selon la théorie des coefficients d’étalement. Quatre huiles de viscosité et polarité différentes sont introduites dans deux systèmes de polymères matriciels, polyéthylène-co-octène (PE)/poly-oxy-éthylène (POE) et poly ε-caprolactone (PCL)/POE. Parmi les critères de sélection de ces composés, un mélange de polymères avec une interface hydrophobe/hydrophile semble judicieux pour l’extraction sélective donnant la structure poreuse et car ces systèmes sont peu étudiés. De plus, les polymères sont biocompatibles et les additifs sont biosourcés.On montre que les prédictions du modèle ne sont pas toujours vérifiées dans le mélange de haute tension interfaciale PE/POE car les effets de viscosité sont plus importants que les effets de tension interfaciale. Dans le système de faible tension interfaciale PCL/POE, le modèle est vérifié et l’huile se place à l’interface sous forme de microgouttelettes (mouillage partiel). La taille de la morphologie du mélange est ensuite réduite par le caséinate de sodium, qui permet aussi de stabiliser l’huile végétale sous forme de microréservoirs à l’interface. Afin de consolider ces microréservoirs par réaction de réticulation avec le caséinate de sodium, l’amidon oxydé est ajouté au mélange. Ce dernier réagit avec la protéine sans pour autant se placer préférentiellement autour des microréservoirs. Ces travaux montrent les dynamiques qui régissent l’auto-assemblage en fondu d’un système complexe avec des composés de nature, polarité et viscosité très différentes.

Functional polymer materials can be used in a large scope of applications in fields such as food, cosmetics and medical industries. In this PhD work, we intend to formulate a porous polymer material with, on its surface, a lipophilic active substance encapsulated via a melt process. In order to reach this complex structure in one step, the interfacial tensions between the blend components are analyzed through the spreading coefficient theory. Four oils with different viscosities and polarities are introduced in two different melt blends: polyethylene-co-octene (PE)/poly-ethylene oxide (PEO) and poly ε-caprolactone (PCL)/PEO. Amongst the criteria to choose those components, a polymer blend with a hydrophobic/hydrophilic interface seems relevant for the selective extraction giving place to the porous material, and because studies on such systems are scarce. Moreover, polymers are biocompatible and additives are biosourced.We show that the spreading coefficient theory predictions do not always match the experimental results with the high interfacial tension polymer blend PE/PEO because the viscosity effects are more important than the interfacial tension effects. In the low surface tension polymer blend PCL/PEO, the predictions match the experiment and the oil droplets are located at the polymer interface (partial wetting). The size of the blend morphology is then lowered with sodium caseinate, which also stabilizes the vegetal oil as microcapsules at the interface. In order to strengthen those microcapsules through cross-linking with sodium caseinate, oxidized starch is added to the blend. It reacts with the protein without preferentially staying on the microcapsules surface. This study shows the dynamics driving the auto-assembly of a melted complex system with components of different natures, polarities and viscosities.