Brevet FR2689418A1 — publié le 19931008

La présente invention a pour objet un procédé de préparation de micro-capsules ou de liposomes de tailles contrôlées par application d'un cisaillement constant sur une phase lamellaire. On entend par microcapsule une particule de taille micronique (0,1 à 10 pin), fermée par une ou plusieurs doubles couches (constituant la membrane) composées d'au moins un type de tensioactif (molécule composée d'une partie lipophile et une autre hydrophile se fixant aux interfaces). Cette ou ces membrane(s) enferme(nt) dans l'espace un volume de solvant isolé du reste de la solution qui est le volume encapsulé. Le rendement d'encapsulation est défini comme le pourcentage de volume encapsulé par rapport au volume total de solvant. Dans le cas particulier de tensioactifs d'origines lipidiques, notamment des phospholipides, ces capsules sont appelées liposomes. De nombreuses méthodes de préparation de micro-capsules et de liposomes ont été décrites dans la littérature. Parmi les méthodes proposées, on trouve notamment des méthodes basées sur la dispersion mécanique du ou des tensioactifs dans un solvant, des méthodes de préparation d'émulsions d'un solvant organique volatil dans un solvant aqueux puis évaporation de la partie organique, et des méthodes par polymérisation d'un monomère tel que l'acide acrylique (par exemple BE-A808034, FR-A-2504408, US-A-3242051, US-A-4637905). Dans le cas des liposomes, les procédés décrits comportent généralement des méthodes par émulsification (par exemple FR-A-2315991, FR-A-2399242 et FR-A2521565). Ces méthodes conduisent, dans les meilleurs cas, à des taux d'encapsulation de l'ordre de 50 % et à des particules relativement polydisperses. Selon la présente invention, on propose une méthode simple de préparation de micro-capsules monodisperses très concentrées, à très haut rendement d'encapsulation (plus de 90 %) tout en contrôlant la taille des micro-capsules très précisément Ce résultat est obtenu en soumettant une phase lamellaire, cristal liquide, monophasique à un cisaillement constant homogène dans l'espace. Ce résultat est étonnant car l'homme de l'art aurait logiquement pensé que l'application d'un cisaillement constant à une phase lamellaire aurait conduit à une orientation au moins partielle de cette phase plutôt qu'à la fabrication de petites particules isotropes de taille données. L'invention a donc pour objet un procédé de préparation de micro-capsules de tailles contrôlées, dans lequel on prépare une phase lamellaire homogène cristal liquide comprenant au moins un tensioactif et au moins un solvant et, le cas échéant, une substance destinée à être encapsulée, caractérisé en ce que l'on soumet cette phase lamellaire à un cisaillement constant. Dans une première étape on prépare une phase lamellaire homogène constituée d'au moins un type de tensioactif (ionique ou non ionique) dans au moins un type de solvant (notamment l'eau ou une solution aqueuse saline ou alcoolique). Une phase lamellaire est définie par un empilement périodique de membranes séparées par un solvant. C'est une phase cristal-liquide (smectique A) caractérisée par un ordre solide dans la direction perpendiculaire aux membranes et un ordre liquide dans les deux autres directions. Les concentrations sont choisies en fonction du diagramme de phase du système qui localise la zone de stabilité de la phase lamellaire. Généralement, cette phase lamellaire existe dans tous les systèmes tensioactifs/eau à des concentrations élevées de tensioactifs ( > 30 % en poids). Dans certains cas cette phase lamellaire persiste pour des concentrations beaucoup plus faibles de tensioactifs (jusqu'à moins de 1-10 %). En pratique on pourra utiliser notamment de 0,5 à 50 % en poids de tensioactifs par rapport à la phase lamellaire. Ces tensioactifs peuvent être aussi bien ioniques (dérivés d'acides gras éventuellement alcoxylés, sulfonates, etc) que non ioniques (polyethers, polyalcools, etc) et plus généralement tout composé pouvant former une phase lamellaire et seront choisis en fonction des applications du produit préparé. De plus, on peut préparer des systèmes où la membrane est constituée d'un film mince d'eau entouré par deux couches de tensioactifs (membranes inverses),le tout étant dilué dans un solvant hydrophobe. Dans le cas où la membrane est constituée d'eau (membrane inverse), le solvant est choisi parmi les liquides hydrophobes, notamment les hydrocarbures aliphatiques (en particulier en C5 à C25) ou benzéniques, éventuellement halogénés, les alcools supérieurs (en particulier C4 à C12), les cétones, etc. Cette phase lamellaire, une fois préparée, est aisément caractérisable par observation en microscopie optique polarisée de la texture montrant ainsi des défauts caractéristiques de l'ordre lamellaire (coniques focales, stries huileuses). Dans le cas des phases concentrées ( > 20 t) on peut aussi la caractériser par rayons X. Dans le cas des phases diluées, on peut caractériser l'ordre lamellaire par diffusion des neutrons ou, dans les cas extrêmes, par diffusion de la lumière. Dans une seconde étape, qui constitue l'originalité principale de l'invention, cette phase lamellaire est soumise à un cisaillement constant, dans une cellule adaptée. Il existe principalement deux types de cellules pouvant convenir à cet effet. Les cellules dites de Couette, constituées de deux cylindres concentriques en rotation constante l'un par rapport à l'autre, où le cisaillement est défini par le rapport de la vitesse de déplacement relative divisée par la distance entre les cylindres. Un autre type de cellule est la cellule de type plan/cône, où un cône dont la pointe s'appuie sur un plan, et dont l'axe est perpendiculaire à ce plan tourne à une vitesse angulaire constante à distance du plan. Dans les deux géométries décrites précédemment, on peut montrer que le cisaillement est constant dans l'ensemble de la cellule. Ces cellules sont couramment utilisées dans des appareils commerciaux, en particulier des rhéomètres permettant de mesurer les propriétés viscoélastiques de liquides (par exemple CARRIMED ou RHEOMETRIX). Toutefois leur application à la préparation de micro-capsules n'a jamais été envisagée. De tels appareils peuvent être utilisés pour la préparation de micro-capsules selon l'invention. La phase lamellaire doit être soumise à un cisaillement constant pendant un certain temps pour obtenir un état stationnaire. On peut suivre la cinétique de formation en mesurant en fonction du temps le couple qui s'applique sur l'un des cylindre lorsque l'on impose la vitesse de rotation de l'autre (i.e. le cisaillement). Ceci est facilement réalisé sur les appareils commerciaux décrits précédemment. Le temps typique pour atteindre l'état stationnaire est de l'ordre de quelques minutes à quelques heures, (notamment 1 min à 100 min) : plus le cisaillement est élevé plus le temps nécessaire est court. Le cisaillement est typiquement situé entre 1 et 1000 s-l, notamment entre 2 et 400 s Une fois le cisaillement arrêté, on récupère une crème constituée par un ensemble dense de sphérules monodisperses (objets sphériques) de phases lamellaires. Ces sphérules constituent les micro-capsules dont la taille est une fonction directe du cisaillement qui a été imposé lors de la préparation. On peut montrer expérimentalement et théoriquement que le diamètre varie comme l'inverse de la racine carrée du cisaillement. On peut mesurer la taille par différentes méthodes. La plus simple est de prélever un peu de crème et de remplir une cellule optiquement transparente (cellule Helma de 1 à 10 mm par exemple). En envoyant un faisceau laser à travers la cellule et en plaçant un écran sur le trajet après la cellule on remarque un anneau de diffusion dont la position donne directement le diamètre D des micro-capsules en utilisant la formule classique: D = k/n/2/Sin(e/2) X étant l'angle formé par la position de l'anneau et le faisceau initial, e étant la longueur d'onde de la lumière, et n étant l'indice de réfraction du milieu On peut aussi placer la crème obtenue sous un microscope polarisant et observer une texture homogène dont la taille caractéristique est le diamètre des microcapsules. On peut encore faire des images de microscopie électronique dans les mêmes conditions que celles que l'on utilise pour caractériser les liposomes. Le procédé selon l'invention permet de préparer des micro-capsules ayant des dimensions généralement entre 0,1 et 10 micromètres, plus habituel lement entre 0,8 et 8 micromètres, avec moins de 10 * de polydispersité en rayon. I1 convient particulièrement à la préparation de liposomes. Cette crème peut être par la suite utilisée directement pour préparer une solution diluée de micro-capsules par simple addition de solvant. La stabilité des micro-capsules en suspension est alors identique à celle obtenue par d'autres méthodes et est donc une fonction du système utilisé. Typiquement on obtient une stabilité de quelques minutes à plusieurs jours ou semaines selon le cas. On peut mesurer le rendement d'encapsulation soit directement sur la crème par une méthode de conductivité à basse fréquence par exemple, soit par une technique classique sur une solution diluée de microcapsules. On obtient généralement une encapsulation de l'ordre de 90 à 95 %. La crème non diluée peut être conservée sensiblement plus longtemps sans subir de modifications. Le procédé de préparation selon l'invention permet donc l'obtention de micro-capsules de tailles contrôlées et monodisperses. De plus, on obtient une concentration très élevée de ces particules. L'ensemble de ces propriétés permet une détermination facile de la taille caractéristique par l'observation d'un anneau-de diffusion de la lumière ou même par mesure directe sous microscope à contraste de phase. On peut expliquer la formation de ces sphérules de la façon suivante. Lorsque le cisaillement est très petit (typiquement On peut montrer alors que avec kc et k qui sont respectivement les constantes élastiques de courbures moyenne et gaussienne de la membrane. Ti est la viscosité du milieu y est le cisaillement d est la distance entre membranes dans la phase lamellaire d'origine. Indépendamment des propriétés d'encapsulation décrites ci-dessus, la crème obtenue est un milieu viscoélastique à seuil. Les exemples suivants illustrent l'invention avec les figures annexées sur lesquelles - la fig. 1 est une photographie au microscope à contraste de phase de micro-capsules obtenues selon le procédé de l'invention, - la fig. 2 représente la mesure de la taille des microcapsules en fonction du cisaillement appliqué selon le procédé de l'invention, et - la fig. 3 est un diagramme correspondant à la région de formation des micro-capsules en fonction de la proportion de solvant. Exemple 1 : Tensioactif ionique + eau salée On prépare une phase lamellaire par dissolution de 16,8 % d'un tensioactif ionique, le di-octyl sulfosuccinate de sodium, (Aérosol OT de la société SIGMA Chemical Co) dans 83,2 % d'eau salée (chlorure de sodium à 12 g/l). Cette phase lamellaire est ensuite soumise à un cisaillement constant de 3 s pendant 30 min, à l'aide d'un rhéomètre (CARRIMED 50) équipé d'une cellule de Couette de Mooney. La crème obtenue est transvasée dans une cellule transparente de 1 mm placée dans un faisceau laser. La taille de l'anneau de diffusion observée indique que les liposomes obtenus ont un diamètre de 2 pin avec une polydispersité d'environ 10 %. On peut observer sous microscope polarisant une texture homogène de taille caractéristique de 2 pm . On peut diluer cette crème dans de l'eau salée à 12 g/l et observer sous microscope à contraste de phase une solution plus ou moins concentrée de micro-capsules (figure 1) Exemple 2 : Variation de la taille des microcapsules en fonction du cisaillement. On prépare une phase lamellaire par dissolution de 17 % de tensioactif ionique (Aérosol OT de la société SIGMA) dans 83 % d'eau salée (chlorure de sodium) à 15 g/l. Cette phase lamellaire est ensuite soumise à un cisaillement variant de 2 à 400 s-1 comme dans l'exemple 1. La taille des micro-capsules est mesurée par diffusion de la lumière; on obtient la courbe présentée sur la figure 2 en annexe. La taille (diamêtre) varie linéairement en fonction de l'inverse de la racine carrée du cisaillement de 8pm à 0,8pm. Exemple 3 : Membrane inverse On prépare une phase lamellaire inverse contenant : 14,85 % de pentanol, 13,77 % de SDS (dodecylsulfate de sodium), 50,06 % de dodecane et 21,32 % d'eau.Cette phase lamellaire est composée de films d'eau entourés de tensioactifs d'épaisseur 20 et séparés par un solvant composé de dodécane et de pentanol d'épaisseur 90ji (caractérisation obtenue par la mesure du pic de Bragg en diffraction des rayons X). Cette phase est soumise à un cisaillement constant (entre 3 s-l et 280 s-1). Pour chaque cisaillement, on mesure à l'état stationnaire la taille par diffusion de la lumière. On obtient une taille variant de D= lpm à 6pm en fonction du cisaillement. Exemple 4 : Tensioactif non ionique + alcool + eau pure. Une phase lamellaire composée de 16 % (en poids)de tensioactif C 12 E5 (mono n-dodécyl-éther de pentaéthylèneglycol de la société NIKKOL), de 4,25 % d'hexanol et de 79,75 % d'eau est préparée puis soumise à un cisaillement pendant 10 min à 2 s-1. On obtient une crème composée de sphérules ayant 1,2pm de diamètre qui peut être mesurée par diffusion de la lumière par la méthode décrite dans l'exemple 1. La variation du cisaillement de Is-l à 10spi permet d'obtenir des tailles variant de 1,5 à 8pm. Exemple 5 : Tensioactif ionique + eau pure Une phase très diluée de DDAB (bromure de didodécyl-diméthyl-ammonium de la société HALDRICH) dans l'eau pure est préparée (5 % de DDAB dans 95 % d'eau), ce qui correspond à une distance entre membranes de 800 A (mesurée par diffusion des neutrons). Cette phase soumise à un cisaillement constant de 10 s-1 pendant 30 min conduit à une phase concentrée de sphérules d'environ ipin de diamètre. Exemple 6 : Lécithine + cholesterol + eau Un mélange de 13 % en poids de lécithine de soja (Cernes Synthelabo), 47 * de cholestérol et de 40 t d'eau est préparé puis soumis à un cisaillement constant pendant 10 min à 400 s-1. On obtient une phase de micro-capsules concentrées de 2pm de diamètre. On peut disperser ces sphérules dans de l'eau pure et observer le mouvement brownien de ces liposomes ainsi que leur taille avec un microscope à contraste de phase. En faisant varier le cisaillement de 300 à 700 s'l, on peut faire varier la taille des liposomes de 3 à Spin. Exemple 7 : Diagramme de formation des microcapsules Afin de déterminer la possibilité de formation de micro-capsules pour un système donné, on peut établir un diagramme d'orientation qui délimite la zone d'existence de ces micro-capsules en fonction du cisaillement et d'autres paramêtres sur lesquels on peut jouer expérimentalement. A titre d'exemple on a étudié systématiquement un système identique à l'exemple 3. La région de formation de micro-capsules a été localisée en fonction de deux paramêtres : le cisaillement et le taux de dilution de la phase lamellaire qui détermine la distance entre membranes. La phase lamellaire inverse de départ contient : 22 % de pentanol, 31 % de SDS et 47 % d'eau. Cette phase est diluée avec un mélange de 91 % de dodecane et 9 % de pentanol.La phase lamellaire est stable de 0 % de dodecane à 80 % de dodecane. La figure 3 en annexe représente la région de formation des micro-capsules en fonction de la fraction volumique de dodecane et du cisaillement. Ce diagramme a été obtenu avec une cellule de Couette de 2mm. Sur cette figure la région 2 où les micro-capsules se forment, est limitéee par deux lignes qui correspondent respectivement à une région globalement orientée avec les membranes parallèles à la direction de l'écoulement avec défauts (région 1 à bas cisaillement) ou sans défaut (région 3 à haut cisaillement) dans cette direction. Le procédé de préparation de micro-capsules selon l'invention peut être avantageusement utilisé dans différents domaines parmi lesquels on peut citer - L'encapsulation de principes actifs médicamenteux ou substances biologiques : en dissolvant dans la phase lamellaire de départ un ou plusieurs principes actifs, ceux-ci se retrouvent ainsi encapsulés à l'intérieur des micro-capsules dans la proportion du rendement d'encapsulation. Selon la nature du tensioactif utilisé, la stabilité de l'encapsulation dans une solution diluée est la même que celle obtenue par toute autre préparation. On peut ainsi utiliser cette méthode en cosmétologie pour préparer des crèmes de beauté ou dans le transport de médicament. - La préparation de particules colloïdales de taille contrôlée. On peut en effet, après obtention par cisaillement d'une phase lamellaire de micro-capsules, les polymériser et les stabiliser ainsi de manière définitive. - L' encapsulation de toute substance chimique soluble dans l'un des constituants de la phase lamellaire, tels que des colorants, sels, etc. REVENDICATIONS 1 - Procédé de préparation de micro-capsules de tailles contrôlées, dans lequel on prépare une phase lamellaire homogène cristal liquide comprenant au moins un tensioactif et au moins un solvant et, le cas échéant, une substance destinée à être encapsulée, caractérisé en ce que l'on soumet cette phase lamellaire à un cisaillement constant. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solvant est l'eau ou une solution aqueuse saline. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les microcapsules sont des liposomes. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est une membrane inverse formée d'eau entourée de tensioactif dans un solvant hydrophobe. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le(s) tensioactif(s) constitue(nt) de 0,5 à 50 % en poids de la phase lamellaire. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cisaillement est entre 1 et 1000 s-1. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le cisaillement est entre 2 et 400 s 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le cisaillement constant est réalisé à l'aide d'une cellule constitué de deux cylindres concentriques en rotation constante l'un par rapport à l'autre. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cisaillement constant est réalisé à l'aide d'une cellule constituée par un plan/cône. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la substance destinée à être encapsulée est un principe médicamenteux ou une substance biologique. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les microcapsules ont un diamêtre de 0,1 à lOpm.