millipore s

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Utilisation, intérêts et applications de la technologie
d’électrofilature à des fins d’encapsulation.
1.1 – Introduction
1.1.1 - Généralités concernant la technique d’électrofilature.
Le procédé d’électrofilature consiste à utiliser le potentiel d’un courant électrostatique élevé pour
la fabrication d’une couche de fibres ou gouttelettes polymères ultra fines [1].
Plus précisément, le procédé d’électrofilature utilise des champs de hauts voltages électriques
pour produire des «jets» chargés électriquement de solutions de polymères viscoélastiques, qui
par séchage instantané, par évaporation du solvant, à température ambiante, vont générer des
structures ultraminces diverses. En général, la base de la technologie d’électrofilage repose sur
trois éléments : une alimentation haute tension, une filière (aiguille métallique) et une surface de
réception ou « collecteur » (une simple pièce de support conductrice de courant) [2].
La morphologie des nanostructures électrofilées et leur diamètre dépendent des différentes
conditions d’application du procédé [3].
Les facteurs les plus importants peuvent être divisés en deux catégories :
1 °) ceux qui dépendent des propriétés intrinsèques de la solution, tels que le type de
polymère, la viscosité, la conductivité électrique, la polarité et la tension de surface …
2 °) ceux qui sont liés aux conditions et paramètres de l'électrofilage, tels que le champ
électrique appliqué, la distance entre la filière et le collecteur et le débit de la solution de polymère
d'alimentation.
Par conséquent, en changeant ces paramètres, plusieurs morphologies peuvent être obtenues et
les fibres ou les capsules (billes) polymères, obtenues en continu, peuvent être d'un diamètre
allant de quelques nanomètres à quelques micromètres [4].
Pompe de
seringue
Seringue
Collecteur
métallique
Alimentation de
haut voltage
Distance
d’écartement

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Les principaux avantages de la technique d'électrofilage sont :
- la production de fibres très fines de l'ordre de quelques nanomètres avec de grandes
surfaces,
- la facilité de fonctionnalisation à diverses fins,
- des propriétés mécaniques supérieures,
- et une facilité de traitement comme suggérée par de nombreux spécialistes dans ce
domaine.
La possibilité d'une production à grande échelle associée à la simplicité du procédé rend cette
technique très intéressante pour de nombreuses applications différentes.
En raison de leurs petites surfaces et de leurs pores de petite taille par rapport aux produits
textiles lambda, les fibres électrofilées sont d'excellents supports pour de nombreuses
applications. Par exemple, elles peuvent être utilisées comme membranes de filtration ou de
séparation, étant donné que leurs de taille submicronique ont une couche ayant une porosité
élevée, mais des pores minuscules [5]. En raison de la taille ultra-mince de ces matériaux, ils
peuvent également être utilisés en tant que renforts dans des matériaux composites, car ils
peuvent fournir des propriétés structurales supérieures qui ne peuvent généralement pas être
réalisées par des microfibres de même matière [6]. En outre, le domaine biomédical est l'un des
domaines d'application importants concernant l’utilisation de la technique de filage électrostatique.
Les fibres électrofilées sont aussi performantes pour faire de l'encapsulation, que pour distribuer
des composés bioactifs dans le corps dans des traitements thérapeutiques, par exemple. En
outre, la similitude topographique de matrices électrofilées avec une matrice extracellulaire est
favorable à la création de tissus à des fins d’implants médicaux [7]. Enfin, la technologie
d'électrofilage peut être utilisée comme technique d'encapsulation pour créer de petites
gouttelettes de particules de solides ou de Liquide (noyau du matériau) qui peuvent être, elles-
mêmes, emballées dans une matrice (paroi du matériau) visant à protéger le noyau ou à le
relâcher dans des conditions souhaitées.
1.1.2 - Avantages de l'électrofilage pour l'encapsulation.
Bien que l’électrofilage ne soit pas encore utilisé dans le commerce à des fins d'encapsulation, du
moins dans le domaine alimentaire, il présente néanmoins un certain nombre d'avantages par
rapport aux autres technologies d'encapsulation utilisées. Par exemple, la technologie
d’électrofilage ne nécessite et ne génère aucune élévation de température, et par
conséquent, les ingrédients qui y sont sensibles peuvent être encapsulés avec cette technique
sans souffrir d'une perte de leurs propriétés. En outre, bien que de nombreux polymères doivent
être dissous dans des solvants organiques pour avoir un procédé d'électrofilage stable, on peut
également produire des structures électrofilées avec certains biopolymères nécessitant des
solutions aqueuses, principalement en ajustant les paramètres du procédé et / ou en modifiant les
propriétés de la solution, par l'ajout d'additifs appropriés. C'est d'un intérêt particulier dans les
applications liées à l'alimentation où, l'utilisation de solvants organiques pour le développement
d’ingrédients alimentaires comestibles, peut poser de réels problèmes concernant leur toxicité
résiduelle restant dans les structures.
Un autre avantage de l’électrofilage est que la morphologie des structures d'encapsulation
obtenues peut être modifiée en ajustant les paramètres du procédé, et pour certains matériaux (en
dehors des morphologies semblables à des fibres) des capsules de taille réduite peuvent être
obtenues par abaissement de la concentration de polymère et / ou augmentation de la distance

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aiguille (buse) / collecteur (processus connu sous le nom d’électronébulisation du fait de la
discontinuité du jet de polymère). La figure ci-dessous présente plusieurs morphologies
d'encapsulation obtenues par électrofilature et électronébulisation.
De plus, il n'existe aucune limitation en ce qui concerne l’indépendance de la substance à
encapsuler et de la nature chimique de la matrice d'encapsulation, grâce à l’utilisation de
l’électrofilage coaxial.
L’électrofilage coaxial se compose de deux aiguilles (filières) insérées l’une dans l’autre et reliées
à deux réservoirs contenant des solutions différentes. Cette technique offre la possibilité d'inclure,
en tant que « noyau », un matériau dans un milieu fluide qui est favorable à ses composants actifs
et/ou fonctionnels, qui, du fait de l’indépendance des deux buses se retrouve enveloppé par une
gaine externe en polymère [8].
En outre, la plupart des technologies d'encapsulation existantes génèrent des capsules d'une taille
considérable (la plus petite des tailles obtenues étant supérieure à un micron), alors que
l’électrofilage peut créer des structures avec des diamètres compris entre 10 et 1 000 nanomètres
en fonction de la solution et des conditions du procédé. Les avantages primordiaux de produire
des fibres de très petit diamètre sont :
- la grande surface offerte par rapport à la masse,
- leur porosité élevée,
- et des performances mécaniques supérieures [9, 10].
Il est reconnu que pour des applications spécifiques, comme la libération contrôlée et ciblée de
principes actifs, les technologies de nanoencapsulation offrent un grand nombre d'avantages. En
général, l'encapsulation améliore la stabilité et le ciblage. Donc, la quantité de matériau
nécessaire pour obtenir un effet spécifique est très inférieure à la quantité requise en cas de non-
encapsulation. Ceci est particulièrement utile lorsqu'il s'agit d'agents bioactifs coûteux. Mais à part
cela, une libération contrôlée et ciblée, du fait de la nano encapsulation, améliore l'efficacité des
composés bioactifs, élargit les domaines d’application et permet d’assurer une posologie optimale,
augmentant ainsi la rentabilité du produit.

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En outre, les propriétés des structures polymères électrofilées peuvent être modifiées, soit en
adaptant la composition et la morphologie des fibres (ou de la surface de la capsule), ou en
utilisant des mélanges de polymères pour créer de nouveaux matériaux composites
d’encapsulation répondant mieux aux exigences industrielles spécifiques (propriétés de leurs
matériaux, par ex.) ; augmentant ainsi le champ des applications potentielles. Récemment, des
études ont mis l'accent sur l'inclusion d'autres matériaux à l'échelle nanométrique dans des nano
fibres pour produire des structures avec des fonctionnalités supplémentaires. Par exemple, des
nanoparticules d'argent ont été insérées dans des fibres de polymère synthétique pour produire
des matériaux aux propriétés antimicrobiennes puissantes [11]. De même, une combinaison de
nano fibres et de structures auto-assemblées telle que des micelles(*), des liposomes(*) ou des
macro-émulsions, peut également créer de nouvelles formes d'encapsulation pour libération
d’agents actifs aux propriétés bien supérieures [12].
Comme mentionné précédemment, l’électrofilage, comme technique d'encapsulation, est encore
dans une phase exploratoire et la plupart des équipements utilisés sont à l'échelle de laboratoire.
Cependant, il y a un certain nombre de sociétés, comme Bioinicia SL (à travers sa marque
Fluidnatek) qui commercialisent déjà cette technologie à l’échelle d'usine pilote et même à
grande échelle, avec des outils réalisés sur mesure pour répondre aux besoins spécifiques et pour
une application donnée.
2 - Structures électrofilées pour l'encapsulation de substances bioactives
dans l’agroalimentaire
Le développement d'aliments fonctionnels contenant des ingrédients bioactifs est un domaine
d'intérêt croissant, non seulement pour la communauté scientifique, mais aussi pour l'industrie
alimentaire. Ces ingrédients bioactifs sont censés être bénéfiques pour la santé des
consommateurs, en plus de l’aspect nutritif. Cependant, les avantages physiologiques et
l'efficacité quant à la réduction du risque de maladies, dépendent tous deux de la préservation et
de la biodisponibilité des principes actifs. Cela représente un formidable défi pour les scientifiques,
les substances fonctionnelles sont connues pour perdre de leur efficacité pendant leur
transformation, leur stockage ou dans le tube gastro-intestinal. Le développement de nano-et
microstructures capables de protéger ces ingrédients actifs en agissant comme transporteurs et
véhicules de livraison ciblée pour une libération contrôlée, est sans aucun doute une option
réalisable. Lorsque les substances bioactives sont entourées par une matrice appropriée, elles
peuvent voir leur stabilité améliorée face à divers facteurs, tels que le pH ou les variations de
température. La micro encapsulation d'ingrédients alimentaires est bien connue, mais la nano
(*)Une micelle (nom
féminin dérivé du nom
latin mica, signifiant
« parcelle ») est un
agrégat sphéroïdal de
molécules possédant une
tête polaire hydrophile
dirigée vers le solvant et
une chaîne hydrophobe
dirigée vers l'intérieur.
Une micelle mesure de
0,001 à 0,300 micron.
(*)Un liposome est une vésicule
artificielle formée par des bicouches
lipidiques concentriques, emprisonnant
entre elles des compartiments aqueux.
On en obtient à partir d'une grande
variété de lipides amphiphiles, dont les
plus couramment utilisés sont les
phospholipides. Lorsque de tels
composés sont mis en présence d'un
excès de solution aqueuse, ils
s'organisent de manière à minimiser
les interactions entre leurs chaînes
hydrocarbonées et l'eau.

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encapsulation peut offrir un certain nombre d'avantages tels qu’une biodisponibilité accrue, des
propriétés de libération contrôlée et une meilleure assimilation, par l’organisme, des ingrédients et
additifs alimentaires insolubles dans l'eau [13, 14]. L’électrofilage est l'une des techniques
disponibles pouvant être utilisée pour la nano encapsulation d'ingrédients alimentaires. Bien
qu'elle n'ait pas encore été utilisée commercialement, elle a suscité beaucoup d’intérêt au cours
des dernières années, au regard de l'augmentation du nombre de publications scientifiques
publiées traitant de l'encapsulation de composés bioactifs en utilisant cette technique polyvalente.
Concernant le développement de structures électrofilées pour l'encapsulation de composés
bioactifs alimentaires, les biopolymères sont un choix idéal car ils peuvent être non toxiques,
comestibles et digestes. Les biopolymères sont également d'un grand intérêt dans d'autres
domaines, tel que le biomédical, car ils sont considérés comme biocompatibles et biodégradables.
Cependant, la production de structures électrofilées de biopolymères a été assez limitée en raison
de plusieurs problèmes techniques. Pour plus d’information dans ce domaine voir les travaux de
Kriegel et de ses collaborateurs [12].
2.1 - Encapsulation d’enzymes
Les enzymes ont de multiples applications agroalimentaires, non seulement pour la transformation
des aliments, mais aussi pour leur utilisation comme additifs antioxydants ou antimicrobiens et
pour le contrôle de la qualité des aliments. Il est notoire que la fixation d’enzymes sur des
substrats solides offre des avantages par rapport à l'utilisation d'enzymes libres, à savoir
l'amélioration de leur stabilité, et donc de l'applicabilité de ces biomolécules comme biocatalyseurs
réutilisables et robustes. La fixation d’enzymes les stabilise et permet un meilleur contrôle de leur
réaction enzymatique qui autorise leur réutilisation. L’encapsulation à des fins d'immobilisation
d'enzymes pourrait, par conséquent, améliorer leurs propriétés, du fait d’une amélioration des
spécificités du substrat, et réduire leur effet inhibiteur. Cependant, de nombreuses méthodes
d'encapsulation provoquent une déformation structurelle significative de l'enzyme, conduisant à
une réduction de son activité. Une optimisation significative du procédé de fixation est donc
nécessaire [15].
L'utilisation de l’électrofilature pour l'incorporation de divers enzymes a connu une attention
croissante. Les nano fibres électrofilées sont d'excellents moyens d'hébergement d’enzymes pour
plusieurs raisons :
- 1°) leur petite taille leur confère une grande surface qui permet la création de matériaux
à forte concentration d'enzymes,
- 2°) la porosité des fibres peut être ajustée, et par conséquent, le mouvement des
molécules, dans et hors des fibres, peut être réglé en fonction des exigences
spécifiques,
- 3°) l'utilisation de couches fibreuses non solubles en milieu aqueux permet leur
réutilisation,
- 4°) de multiples enzymes provenant de diverses sources peuvent être encapsulés
ensemble [16].
Par exemple, des laccases(*) ont été encapsulés avec succès dans des microfibres en
électrofilant une émulsion de poly (D, L-lactide) (PDLLA) et d’un copolymère (3 composants) [17].
Les laccases sont des oxydants contenant du cuivre qui ont des applications potentielles, non
seulement dans l'industrie alimentaire, mais aussi dans les industries textiles, de pâtes à papier,
de par leur biodégradation, leur biotransformation, etc. La structure « gaînante » obtenue et la
porosité des fibres électrofilées sont propices à la conservation de l'activité et de la stabilité des