Brevet FR2661414A1 — publié le 19911031

Produit à base de kératines modifiées, son procédé de préparation et les applications notamment en médecine humaine ou vétérinaire. Plus particulièrement, mais non limitativement, l'invention s'est fixée pour but de créer un produit trouvant une application avantageuse: pour le recouvrement et la protection des plaies étendues telles que brûlures, pertes de substances pour le recouvrement et la protection des greffes cutanées notamment, les greffes de tissus vivants ou non, les greffes de dermes artificiels ou de peaux articielles, en tant cque support et moyen de protection de feuillets épidermiques cultivés pour les greffes d'épiderme. Actuellement, les produits utilisés pour les applications précitées, ne donnent pas entière satisfaction. Généralement, on utilise soit de la gaze, soit des matériaux à base de silicones sous différentes formes, soit des tissus synthétiques microporeuz. La gaze, le plus souvent imprégnée de vaseline, a pour avantage de limiter les pertes hydriques, salines, et calorico-azotées, et assure une protection vis à vis des contaminations bactériennes Par contre, un tel pansement a une perméabilité à l'eau non controlable, ce qui peut engendrer un effet de macération préjudiciable à la cicatrisation De plus, ce type de pansement doit être changé fréquemment. L'utilisation de la gaze pour le transfert de cellules épidermiques cultivées est limitée par le fait que lors de la régénération de l'épiderme, les cellules peuvent migrer et se multiplier à l'intérieur de la gaze, ce qui entraine une incrustation de ce matériau dans le tissu néoformé. Les matériaux à base de silicones appliqués sous forme de mousses ou de films, ne permettent pas de controler les pertes hydriques et des phénomènes de macération peuvent _ 2 _ également se manifester comme dans le cas de la gaze imprégnée de vaseline. Enfin, les tissus microporeux, utilisés pour les greffes de cellules épidermiques présentent l'inconvénient de ne pouvoir être facilement retirés du site de cicatrisation en raison de la prolifération des cellules à l'intérieur du matériau. Pour remédier à ces inconvénients, il a été conçu, selon l'invention, un produit à base de kératines modifiées sous forme de S-amino Alkylkératines de formule générale: R S-(CH 2) N NH 2 dans laquelle: N est un nombre entier égal à 2 ou 3 R représente la kératine Avantageusement, le produit est obtenu à partir d'une solution de S-aminoéthylkératines de formule: R S CH 2 CH 2 NH 2 obtenues par réduction puis S-alkylation des kératines réduites avec de la bromoéthylamine. Compte-tenu des caractéristiques du produit, un problème important que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir réaliser un support artificiel faisant office de pansement et apte à reproduire, de façon temporaire, certaines fonctions essentielles de l'épiderme. Un tel problème est résolu en ce que l'on soumet les Saminoéthylkératines en solution, à une opération de déshydratation pour obtenir un produit sous forme d'un film ou membrane homogène. Le problème que se propose de résoudre l'invention est de crier un support artificiel sous forme d'une membrane notamment, présentant des caractéristiques physico-chimiques, semblables à celles de l'épiderme naturel ou de la couche cornée, à savoir, pour l'essentiel 3- une perméabilité sélective à l'eau et aux petites molécules hydrosolubles, une taille des pores déterminée pour que la membrane soit, à la fois imperméable aux molécules protéiques, à l'eau liquide, et aux agents infectieux et perméable à la vapeur d'eau, aux gaz et aux petites molécules hydrosolubles. Une résistance à la rupture et une élasticité permettant de supporter les contraintes mécaniques imposées par l'environnement. Un autre problème que se propose de résoudre l'invention, compte-tenu des caractéristiques de la membrane obtenue selon l'invention, par déshydratation d'une solution de S-aminoéthylkératines, est d'obtenir une parfaite adhérence sur les tissus vivants, et, par conséquent, sur les plaies. Pour résoudre de tels problèmes, la déshydratation de la solution des Saminoéthylkératines est effectuée de manière suffisamment lente pour permettre un arrangement précis des molécules donnant lieu à la formation de liaisons non covalentes, telles que liaisons électrostatiques, liaisons hydrogène, liaisons de Van Der Waals De telles liaisons confèrent à la membrane, une résistance à la traction suffisante, compte-tenu des applications envisagées. En outre, les microfibrilles de kératines sont conformées en hélice alpha et disposées sous forme de filaments, ce qui a pour effet de donner à la membrane une certaine élasticité. L'arrangement moléculaire permet d'obtenir une membrane à structure poreuse, dont la taille des pores est fonction de la densité des liaisons inter-moléculaires Pour rendre les membranes insolubles dans leur milieu d'origine et dans les liquides physiologiques, les-liaisons formées lors de la déshydratation de la solution des S-aminoéthylkératines, sont suffisamment fortes et la densité suffisamment élevée. 4- Ces liaisons sont majoritairement de nature électrostatiques et s'établissent entre les groupements carboxyliques présents à l'origine sur les microfibrilles de kératines natives sous forme de résidus acide glutamique et acide aspartique notamment, et les groupements amine présents dans les kératines natives sous forme de résidus lysile notamment et les groupements amine introduits par voie chimique sous forme de résidus aminoéthyle. L'ensemble des phénomènes qui apparaissent au moment de la déshydratation provoquent la formation d'une structure tridimensionnelle de poids moléculaire élevé et qui est à l'origine du caractère insoluble précité Les molécules utilisées pour la préparation des membranes sont biodégradables, tandis que leur association ne nécessite pas la mise en oeuvre d'un procédé externe de réticulation par voie chimique Il en résulte que les membranes en tant que telles, présentent le caractère de biodégradabilité. Les membranes de S-aminoethylkératines obtenues peuvent présenter des dimensions variables en fonction de la taille des moules utilises lors du processus de déshydratation et des épaisseurs variables suivant la quantité de solution mise en oeuvre et la concentration de ces solutions en S- aminoëthylkératines Ces épaisseurs peuvent varier de quelques micromètres ( 2-20) à 1 ou 2 millimètres Par exemple, les membranes de 50 à 150 micromètres d'épaisseur sont obtenues classiquement par le procédé de déshydratation à partir de solutions contenant entre 5 et 15 grammes de S- aminoéthylkératines par litre de solution De telles membranes présentent des épaisseurs suffisantes pour obtenir des caractérisques mécaniques compatibles avec leur utilisation comme moyen de protection des plaies. Les membranes obtenues à l'état sec sont rigides et transparentes et deviennent souples et élastiques tout en gardant leur transparence Iorsqu'eles son' r:yorates dans de eau pure -)u Lar des' liqui S es physiologiques Sous forme huz'4 ide(, ce membrar Les sont imperméables à l'eau liquide et perméable à la vapeur d'eau A titre d'exemple, dans des conditions définies par l'expérience, une membrane de Saminoéthylkératines de 100 micromètres d'épaisseur présente une perméabilité à la vapeur d'eau à 37 C et dans une atmosphère à % d'humidite relative de 40 mg/cm 2 h. Sous forme humide, les membranes de kératines soumises à des tests de dialyse montrent une perméabilité aux molécules neutres qui est fonction de la masse moléculaire moyenne de ces dernières A titre d'exemple, le seuil de coupure de membranes de 150 micromètres d'épaisseur est estimé à 2000 D, lorsque les tests de perméabilité sont effectués à l'aide de polyéthylèneglycols Un tel seuil de coupure est incompatible avec le passage des protéines et des agents infectieux à travers ces membranes En revanche, les molécules telles que sels, sucres, acides aminés, polysaccharides et peptides de faibles poids moléculaires, antibiotiques, par exemple, diffusent à travers les membranes Il convient maintenant, d'analyser le procédé de préparation du produit à base de kératines, quelles que soient ses applications Les principales étapes pour la préparation de la solution des Saminoéthylkératines sont les suivantes: Réduction des kératines, Extraction des kératines ainsi réduites, Alkylation de ces kératines réduites, Extraction et purification des S-aminoéthylke- ratines. Ces réactions successives sont réalisées par exemple sur de la laine, des poils d'animaux, des cheveux humains REDUTJCTION DES KERATINES Les kératines brutes sous forme de phanères sort broyées et mises en suspension dans une solution tamponnée ou non, maintenues & PH basique et contenant un agent réducteur doux Le mélange hétérogène est maintenu sous agitation à température ambiante et à l'abri de l'air pendant 24 à 72 heures. Divers mélanges tampons peuvent être utilisés tels que, à titre d'exemple,: tris/H Cl, NH 3/NH 4 +,acide borique/borate, PO 4 / HPOA, à condition que les tampons utilisés permettent de maintenir le p H du milieu entre p H 9 et p H 11,5. Lorsqu'un mélange tampon n'est pas utilisé, le milieu peut être maintenu entre ces valeurs par addition de molécules basiques telles que par exemple, les hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux, ou l'ammoniaque. En ce qui concerne les agents réducteurs, le mercaptoéthanol est utilisé préférentiellement mais d'autres molécules conviennent également telles que l'acide thioglycolique ou la cystéine par exemple. EXTRACTION DES KERATINES Les kératines réduites sont recueillies en solution dans le liquide surnageant de centrifugation du milieu de réduction, le culot est éventuellement lavé une fois par la solution tampon et le liquide de lavage est ajouté au surnageant précédent. Les kératines réduites sont préférentiellement précipitées à partir de la solution obtenue sous forme de microfibrilles à un p H compris entre 3,5 et 5, par addition d'un acide minéral concentre, tel que l'acide chlorhydrique 6 N. Le précipité est recueilli par centrifugation -7 filtration ou décantation et peut être rinçé par une solution acide dont le p H est compris entre les valeurs précitées. ALKYLATION DES KERATINES REDUITES On remet le précipité en solution à température ambiante et à l'abri de l'air dans un milieu basique tamponné ou non contenant de l'urée à une concentration comprise entre 3 -3 et 6 M, de l'EDTA à une concentration d'environ 10 x et du mercaptoéthanol à une concentration comprise entre 2 10-2 et 5.10-2 M Le p H du milieu est maintenu entre 9 et 11,5 pendant toute la durée de la dissolution par addition d'une base minérale concentrée telle que l'hydroxyde de sodium. On prépare une solution de bromoéthylamine à 50 % en poids dans l'urée à une concentration comprise entre 3 et 6 que l'on amène à p H neutre à l'aide par exemple, d'une solution d'hydroxyde de sodium 5 M La masse de chlorhydrate de bromoéthylamine mise en solution est sensiblement égale à la masse de phanère mise en Jeu dans l'étape de réduction. On ajoute en une seule fois cette solution de bromoéthylamine à la solution de kératines réduites précédente tout en maintenant le p H du milieu réactionnel entre 8 et 9, par addition d'une solution concentrée d'hydroxyde de sodium par exemple. On agite le milieu obtenu, à l'abri de l'air et à température ambiante jusqu'à disparition totale des groupements thiol libres (test au nitroprussiate de sodium en milieu ammoniacal). EXTRACTION ET PURIFICATION DES S- AMINOETHYLKERATINES. On précipite les S-aminoéthylkératines à partir du milieu réactionnel précédent par 2,5 à 5 volumes d'acétone. Après décantation, le précipité est collecté par 8 - toute technique de séparation solide-liquide connue en soi, telle que centrifugation ou filtration par exemple. On dissout le précipité obtenu dans environ 20 à 30 fois son volume d'une solution aqueuse d'acide acétique maintenue à p H 3 3,7 Les résidus insolubles sont éliminés par centrifugation ou filtration. On ajoute au milieu clarifié obtenu, une solution concentrée de chlorure de potassium en quantité suffisante pour obtenir une concentration finale en k Cl d'environ 0,2 x puis on précipite les S-aminoéthylkératines en augmentant le p H jusqu'à environ 9 10 par addition d'une solution d'hydroxyde acalin concentrée. On reprend le précipité obtenu dans environ 15 à 20 fois son volume d'une solution d'acide acétique maintenue à p H compris entre 3 et 3,7. On peut renouveler l'opération de précipitation et redissoudre le culot de 2 ème précipitation dans 15 à 20 fois son volume d'une solution d'acide acétique maintenue à p H compris entre 3 et 3,7. On dialyse la solution obtenue contre de l'eau distillée à l'aide de membranes dont le seuil de coupure est voisin de 10 KD. On agit sur la solution dialysée pour éliminer les résidus non dissous, ladite solution étant conservée à une température de l'ordre de + 4 C. Les solutions de S-aminoéthylkératines peuvent être concentrées en fonction des besoins par toute technique connue et en particulier par ultrafiltration sur membranes dont le seuil de coupure est voisin de 10 KD. Le procédé tel que décrit dans ses principales étapes est applicable pour obtenir une solution de S- aminoéthylkératines à partir de laine, de poils d'animaux tels que lapin, rat, veau, porc et de cheveux humains. On donne ci-après, un exemple de préparation d'une solution de S-aminoéthylkératines à partir de laine. REDUCTION DES KERATINES g de laine sont mis en suspension dans sensiblement 1,8 1 d'une solution aqueuse de Tris 0,01 x contenant 0,5 % de mercaptoéthanol Le p H est ajusté à 10,5 avec une solution d'hydroxyde de sodium 5 M. Le milieu est broyé pour obtenir une suspension homogène, puis est placé sous agitation à température ambiante à l'abri de l'air pendant 24 à 72 heures. EXTRACTION DES KERATINES On centrifuge le milieu de réduction et on recueille le surnageant qui contient les kératines réduites Le culot est lavé par 2 à 3 fois son volume de tampon TRIS à 0,01 M à p H 10,5 et le liquide de lavage est mélangé au surnageant précédent. La solution obtenue est acidifiée jusqu'à p E 4,5 par addition d'acide chlorhydrique 6 N Le précipite formé est recueilli par centrifugation. ALKYLATION DES KERATINES REDUITES On remet le précipité en solution dans 1,2 I de tampon Tris 0,01 M, urée 5, EDTA 0,001 N contenant 2 mi de mercaptoeéthanol. On ajuste le p H à 10, 5 avec une solution d'hydroxyde de sodium 5 N On maintient ledit p H à cette valeur pendant toute la durée de la dissolution. On prépare une solution contenant 100 g de -10- chlorhydrate de bromoéthylamine dans 75 ml d'urée 5 X que l'on amène à p H 7 à l'aide d'une solution d'hydroxyde de sodium 5 N. On ajoute cette solution à la solution de kératines réduites tout en maintenant le p H entre 8,0 et 9,0 avec une solution d'hydroxyde de sodium 5 N. On agite le milieu obtenu à l'abri de l'air à température ambiante, en contrôlant le p H dont la valeur doit rester comprise entre 8,5 et 9,0. La réaction est terminée lorsque la recherche des fonctions thiol par le test au nitroprussiate de sodium est negative. EXTRACTION ET PURIFICATION DES S- AMINOETHYLKERATINES _ on précipie les S-aminoèthylkératines à partir de la solution obtenue dans l'étape préceédente par 2,5 volumes d'acétone Après décantation, le précipite est recueilli par centrifugation. On redissout le culot dans 3, 5 1 d'eau distillée tout en maintenant le p H à environ 3,5 par addition d'acide acétique pur. On ajoute à la solution obtenue une solution saturée de chlorure de potassium pour obtenir une concentration finale de 0,2 X puis on précipite les S-aminoéthylkératines à p H 9,0 par addition d'une solution d'hydroxyde de sodium environ 5 N. On recueille le précipité formé par centrifugation après décantation. On dissout le culot obtenu, dans 2,5 1 d'eau distillée, tout en maintenant le p H à environ 3,5 par addition d'acide acétique pur. On renouvelle l'opération de précipitation et on redissout le culot dans 2,5 1 d'une solution d'acide acétique maintenue à p H 3,5. Cette solution de S-aminoéthylkératines est ensuite soumise à un certain type de traitement, pour obtenir différents types de produits, comptetenu des applications fossibles. Comme indiqué en liminaire, si l'on soumet les solutions de S-aminoéthylkératines à une opération de déshydratation, le produit obtenu se présente sous forme d'un film ou d'une membrane homogène A titre d'exemple indicatif, les membranes sont obtenues par déshydratation d'une solution contenant 5 à 15 mg de S-aminoéthylkératines Dar ml. La solution est préalablement filtrée ou centrifugée pour éliminer d'éventuels insolubles et dégazée La déshydratation peut être effectuée à des températures de l'ordre de 40 à 42 C. Il est évident que la déshydratation peut être effectué à différentes températures en fonction du produit désiré Par exemple, une déshydratation rapide peut être obtenue à 60 ' C sans dégradation notable du produit La température ne doit cependant pas excéder 90 C si l'on veut obtenir des membranes homogènes Au dela de cette température, des dégradations apparaissent objectivés par la formation de petits peptides. Les membranes obtenues peuvent être neutralisées par trempage dans un tampon borate à un p H d'environ 9,0 9,5 puis rincées à l'eau distillée Ces membranes peuvent être ensuivte déshydratées dans de l'alcool par exemple, ou sous courant d'air pour assurer leur conservation. A noter que les membranes peuvent être cependant conservées à l'état humide dans de l'eau ou dans un mélange alcool eau. L es films ou membranes obtenus par la solution de S-aminoéthylkératines trouvent de nombreuses applications, notamment en médecine humaine ou vétérinaire, parmi lesquelles on peut noter: recouvrement des plaies. support de culture céellulaire. transfert de greffes. étude de la toxicité et de la diffusion des molécules en dermatologie. support pour le greffage d'enzymes et de cellules Lorsque l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de lyophilisation, on obtient un produit sous forme d'un feutre dont le diamètre des pores est modulable en fonction des conditions opératoirs Parmi les principales applications, on peut citer la réalisation d'un réseau tridimensionnel comme support de cellules vivantes. Lorsque l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de déshydratation, d'une part, et de broyage, d'autre part, on obtient un produit sous forme de poudres, de granulomêtrie variable Ces poudres peuvent être utilisées en tant que support de chromatographie, et trouvent également des applications en cosmétique. Lorsque l'on soumet les S-aminoéthylkératines à des techniques diphasiques classiques, on obtient un produit sous forme de sphérules poreuses Ces sphérules peuvent être utilisées en tant que support cellulaire et de chromatographie, ainsi qu'en support de greffage de cellules et d'enzymes. Lorsque l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de coagulation ou coagulation extrusion et de séchage, on obtient un produit sous forme de fils ou de fibres. Ces fils et fibres peuvent constituer des fils de suture -13biodégradables ou des tissus biodégradables, telles que les gazes. A noter également, que la solution S- aminoéthylkëratines peut être utilisée directement pour l'imprégnation de matériaux poreux et le recouvrement de matériaux poreux ou non, par exemple. Enfin, ces différentes formes de produits, peuvent trouver des applications en cosmétologie, telles que par exemple: agents exfolliants (dans le cas de poudres et de sphérules) agents de surface (dans le cas de solutions et de poudres) masques (dans le cas de solutions, de poudres et de films) additifs capillaires (dans le cas de solutions et de poudres) -14- R E VE N D I C A T I N S -1 Produit a base de kératines modifiées, caractérisé en ce qu'il s'agit d'une S-amino Alkylkératines de formule générale: R S-(CH 2) N NH 2 dans laquelle: N est un nombre entier égal à 2 ou 3 R représente la kératine -2 Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est obtenu a partir d'une solution de S-aminoéthylkératines de formule: R S CH 2 CH 2 NH 2 obtenues par réduction puis S-alkylation des kératines réduites. -3 Procédé de préparation du produit selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que: on réduit les kératines, puis on extrait les kératines ainsi réduites, puis on opère l'alkylation de ces kératines réduites, et enfin, on extrait et on purifie les S-aminoéthyl- kératines. -4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour la réduction des kératines: on broie les kératines brutes et on les met en suspension dans une solution contenant un agent réducteur. on maintient le mélange hétérogène sous agitation à température ambiante et à l'abri de l'air pendant une durée déterminée. -5 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour l'extraction des kératines réduites: - on recueille lesdites kératines en solution dans le liquide surnageant, du milieu de réduction, le culot étant éventuellement lavé par la solution contenant l'agent réducteur, le liquide de lavage étant ajouté au surnageant. on précipite les kératines on recueille le précipité obtenu. -6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérise en ce que pour l'alkylation des kératines réduites: on remet le précipité en solution à température ambiante et à l'abri de l'air dans un milieu basique on rajoute une quantité de réducteur, on maintient le p H du milieu entre 9,0 et 11,5 pendant toute la durée de la dissolution, on prépare une solution de Bromoéthylamine que l'on amène à p H neutre on ajoute en une seule fois, la solution de Bromoé- thylamine a la solution de kératines réduites précédente tout en maintenant le p H entre 8,0 et 9,0, on agite le milieu obtenu à l'abri de l'air et à température ambiante, -7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5 et 6 caractérisé en ce que pour l'extraction et la purification des Saminoéthylkératines: on precipite lesdites S-aminoéthylkératines à partir de la solution, après décantation, on recueille le précipité, on dissout le précipité obtenu pour maintenir le p H à 3,0 3,7, on élimine les résidus insolubles, on ajoute une solution de chlorure de potatium notamment, pour obtenir une concentration finale en KC 1 d'environ 0,2 B, puis on précipite les S-aminoéthylkératines en augmentant le -1 O- p H jusqu'à sensiblement 9,0 10, on reprend le précipité obtenu dans envrion 15 à 20 fois son volume dans une solution maintenue à p H compris entre 3, 0 et 3,7 on dialyse la solution obtenue contre de l'eau distillée on agit sur la solution dialysée pour éliminer les résidus non dissous, ladite solution étant conservée à une température de l'ordre + 4 C. -8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'on soumet les S-aminoéthyl- kératines à une operation de déshydratation pour obtenir un produit sous forme d'un film ou membrane homogène. -9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de lyophilisation pour obtenir un produit sous forme d'un feutre dont le diamètre des pores est modulable en fonctin des conditions opératoires. -10 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'on soumet les S-aminoêthylkératines a une opération de déshydratation et de broyage pour obtenir un produit sous forme de poudres de granulométries variables. -11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de techniques diphasiques pour obtenir un produit sous forme de sphérules poreuses. -12 Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'on soumet les S-aminoéthylkératines à une opération de coagulation ou coagulation extrusion et séchage pour obtenir un produit sous forme de fils ou de -17- fibres. -13 Applications des Saminoéthylkératines sous forme de films ou membranes selon la revendication 9: au recouvrement des plaies, a un support de culture cellulaire, a un transfert de greffes à l'étude de la toxicité et de la diffusion des molécules en dermatologie, & un support pour le greffage d'enzymes et de cellules. -14 Applications des S-aminoéthylkératines sous forme d'un feutre selon la revendication 10 à un réseau tridimensionnel utilisé en comme support de cellules vivantes. -15 Applications des S-aminoéthylkératines sous forme de poudres, selon la revendication 11 à un support de chromatographie et à des utilisations cosmétiques. -16 Applications des S-aminoéthylkératines sous forme de sphérules selon la revendication 12: à un support de culture cellulaire et de chromatographie, à un support de greffage de cellules et d'enzymes. -17 Applications des S-aminoéthylkératines sous forme de fils ou fibres selon la revendication 513 à des fils de suture biodégradables ou tissus biodégradables.