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].
Alimentation de
haut voltage
Collecteur
métallique
Pompe de
seringue
Seringue
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, ellesmêmes, 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 nonencapsulation. 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].
(*)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.
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
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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
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laccases fixés. Les laccases fixés ont vu leur activité initiale maintenue à 50% après 10 passages
successifs et en augmentant les taux de pH, par rapport aux laccases libres [17]. Liu et ses
collaborateurs [19] ont également développé des structures électrofilées contenant des laccases
en tant que biocapteurs de composés phénoliques. De l'alcool polyvinylique (PVA) a été utilisé
comme matrice d'encapsulation. Les résultats ont montré que l'enzyme conserve son activité
catalytique élevée et une bonne performance quant à la détection de plusieurs composés
polyphénoliques. De plus, les biocapteurs présentent une bonne reproductibilité, ce qui implique
que les nanofibres électrofilées sont appropriées pour la fixation des enzymes. Les fibres
électrofilées de silice poreuses contenant de la peroxydase de raifort ont également été
développées pour une utilisation en tant que biocapteurs, ce qui démontre une bonne activité
catalytique [20].
D'autres enzymes ont été encapsulées en utilisant l’électrofilage coaxial telles que la phosphatase
alcaline (AP) et la β-galactosidase. Dans ce cas, la « gaine » a été composée d'un mélange de
polycaprolactone(**) avec du polyéthylène glycol (PEG), ce qui a donné lieu à une structure de
fibres poreuses, permettant le mouvement des molécules, dans ou hors des fibres. Les essais
enzymatiques ont montré que, en particulier avec la β-galactosidase encapsulée, les fibres
agissent comme des microréacteurs enzymatiques efficaces avec une activité enzymatique
d'environ 50% [16].
(*)Les laccases sont des enzymes à cuivre qui oxydent les polyphénols en utilisant l'oxygène comme accepteur final
d'électrons.
(**)La polycaprolactone (PCL) est un polyester biodégradable comportant une faible température de fusion d'environ 60 °C.
2.2 - Encapsulation de bactéries probiotiques
Les probiotiques sont définis comme des micro-organismes vivants qui, lorsqu'ils sont administrés
en quantités adéquates, confèrent des avantages pour la santé de l'hôte, y compris la prévention
et le traitement de certaines pathologies. Ceux-ci comprennent la réduction des infections gastrointestinales, l'amélioration du métabolisme du lactose, la diminution du cholestérol sérique, et
l'amélioration des défenses immunitaires [21]. Parmi les probiotiques, le Bifidobactérium a fait
l'objet de recherches intenses, en raison de sa prédominance chez les nourrissons allaités au sein
et les effets bénéfiques attribués à certaines souches. Ces qualités ont conduit à leur
incorporation dans des produits alimentaires divers et dans des formulations pharmaceutiques. La
microencapsulation a été suggérée pour assurer leur survie pendant le stockage et la
commercialisation des produits. Afin de garantir leur efficacité, les probiotiques doivent être
vivants, métaboliquement actifs et abondants dans le produit. Cependant, les technologies
d'encapsulation qui n'impliquent pas des conditions draconiennes, tant en termes de température
que de solvants utilisés et qui génèrent des « capsules » de petites tailles sont très recherchées.
Ainsi, la technique de filage électrostatique est un outil idéal pour obtenir ce résultat. L'aptitude de
l'électrofilage à générer des structures d'encapsulation contenant des probiotiques a été prouvée,
en utilisant initialement de l'alcool polyvinylique et une configuration coaxiale de l'équipement [22].
Des structures fibreuses avec les bactéries réparties le long de leurs fibres (comme observé cidessous) ont été réalisées avec une viabilité des cellules considérablement accrue bien que
soumises à différentes températures de stockage.
Puis, une base de protéines (concentré de protéines de lactosérum) et d'hydrates de carbone
(pullulane) a été électropulvérisée pour former des «capsules» qui ont été utilisée pour
l'encapsulation d'une souche de bifidobactéries. Ces structures d'encapsulation à base
d'hydrocolloïdes électropulvérisés ont démontré leur capacité à prolonger la survie des
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bifidobactéries durant leur stockage entre 4 et 20 °C et dans des conditions d'humidité relative
diverses (0, 11, 53 et 75% d'humidité relative) [23].
Micrographie optique de fibres hybrides PVOH / bifidobactéries électrofilées. Les bifidobactéries
ont été précédemment colorées avec de la fluorescéine.
2.3 - Encapsulation d’antioxydants
L’ajout d’antioxydants dans les aliments, permet de minimiser les changements de saveur,
d'arôme, de couleur ou de valeur nutritionnelle. Mais, par-dessus tout, les antioxydants peuvent
protéger l'organisme contre les dommages causés par les radicaux libres et les maladies
dégénératives. Ils sont donc de plus en plus étudiés pour leur inclusion dans les aliments
fonctionnels. Toutefois, en raison de leur sensibilité intrinsèque à plusieurs facteurs, tels que la
lumière, l'oxygène ou la température, les antioxydants naturels doivent être protégés contre le
milieu ambiant ou des conditions au cours de leur transformation durant leur production.
Récemment, la technique d'électrofilage a été évaluée pour l'encapsulation d'antioxydants.
Comme aucune température n'est nécessaire dans le procédé, l'activité des molécules
antioxydantes devait rester inchangée lors de l'encapsulation. Un antioxydant naturel intéressant,
le β-carotène, un terpène avec des provitamines A, a été encapsulé par électrofilage en utilisant
soit de la zéine (une prolamine) [24], soit un concentré de protéines de lactosérum (WPC) [25],
respectivement sous forme de fibres ou de capsules. Les travaux ont montré une stabilité accrue
de l'antioxydant dans les matrices d'encapsulation (en comparaison avec le composé non
encapsulé), et une efficacité d'encapsulation très élevés a été obtenue lors de l'utilisation du
glycérol en tant que véhicule pour l'incorporation du β-carotène dans le WPC [25].
Des fibres de zéine ont également été développées pour encapsuler et protéger un composé
polyphénolique, en particulier l'épigallocatéchine-gallate (EGCG), qui est une catéchine de thé vert
avec des avantages divers pour la santé (protection contre le stress oxydatif et réduction du risque
de maladies cardiovasculaires et certains types de cancer) [26]. L'humidité relative et le temps de
vieillissement après électrofilage sont importants dans la détermination de la stabilité de l'EGCG
lors du contact ultérieur avec de l'eau. Une très bonne fixation et stabilité du composé antioxydant
ont été observées après vieillissement des fibres durant au moins 1 jour dans des conditions
sèches à température ambiante [26].
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2.4 - Encapsulation d’autres composés alimentaires
2.4.1 – Les composés antimicrobiens
Des fibres polymères actives peuvent également être développées par électrofilature pour
améliorer la sécurité alimentaire par le biais de l'encapsulation de composés antimicrobiens. Par
exemple, un composé antimicrobien d'origine naturelle, l'isothiocyanate d'allyle (AITC), avec une
activité bactéricide connue, ont été encapsulés dans des fibres électrofilées de protéines de soja /
polyoxyde d'éthylène et un mélange de polyacide lactique. Une libération contrôlée de l'agent
antimicrobien, à partir des fibres en fonction de l'humidité relative a été obtenue, ce qui rend les
structures prometteuses pour une utilisation dans des applications d'emballage dits « actif » pour
les denrées alimentaires [27].
2.4.2 – Les acides gras : oméga-3
Les acides gras polyinsaturés (AGPI), et plus spécifiquement les acides gras oméga-3, sont
devenus populaires, en tant que compléments alimentaires, en raison de leurs effets bénéfiques
sur la santé. Thèse soutenue par une série d'études épidémiologiques et d'interventions sur la
consommation de poisson, portant sur la réduction de la pression artérielle, la modulation de la
réponse à des agents thrombolytiques, les actions endogènes anti-arythmiques, l'inhibition de
l'activation des plaquettes, la modulation de l'inflammation, la réduction des triglycérides et une
diminution des maladies cardio-vasculaires [28]. L'acide docosahexaénoïque (DHA), une longue
chaîne d'acide gras polyinsaturé du groupe ω-3, a été encapsulé dans une couche de zéine
ultrafine produite par électronébulisation [29]. L’encapsulation de la zéine ultramince DHA a été
observée par spectroscopie ATR-FTIR(*) pour être plus efficace du fait des conditions ambiantes
et de l’espace confiné. Dans ce dernier cas, qui simule des conditions d'emballage alimentaire
étanche, le DHA bioactif est considérablement plus stable. De plus, les capsules de DHA-zéine
ultraminces ont permis une meilleure stabilité du produit face à une humidité relative et à la
température et beaucoup moins saveurs ont été libérées, donc perdues [29].
(*)Spectromètre FTIR-ATR (Single Reflexion Attenuated Total Reflectance) : La spectrophotométrie infrarouge est une technique
d’analyse utile pour la détermination, l’identification ou la confirmation de structure de produits connus ou non. Un spectre
infrarouge permet en effet de mettre facilement en évidence la présence de certains groupements fonctionnels, et peut servir de
"carte d’identité spectroscopique" pour une molécule ou un matériau.
2.4.2 – Les arômes
Les arômes sont des ingrédients très précieux dans une formule alimentaire. Même de petites
quantités de certaines substances aromatiques peuvent être coûteuses. Parce qu'ils sont
généralement délicats et volatiles, leur préservation est souvent une préoccupation majeure des
fabricants de produits alimentaires. Des essais d'encapsulation d'arômes ont été réalisés en
utilisant différentes méthodes telles que le séchage par pulvérisation, la réfrigération par
pulvérisation, l'extrusion, la coacervation(*) et l’inclusion moléculaire [30]. Des inclusions
complexes de cyclodextrine (CD-IC) ont également été réalisées pour améliorer la stabilité des
arômes [31]. L'encapsulation de ces CD-IC à l'intérieur de fibres électrofilées de PVA a démontré
l’amélioration de leur durabilité et a permis de conserver une haute stabilité des arômes à la
température, et en particulier celui de la vanilline [32].
(*)Coacervation : Phénomène de séparation en deux phases de certaines solutions macromoléculaires.
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3 – Structures d’encapsulation électrofilées pour applications médicales
Bien que l’électrofilature se soit traditionnellement focalisée sur les applications textiles, l'utilisation
de structures tridimensionnelles (3D) de nanofibres électrofilées pour des applications
biomédicales a suscité une grande curiosité au cours des dernières années [33]. Par exemple,
des structures 3D en nanofibres ont démontré qu’elles étaient des substrats appropriés pour
l'ingénierie tissulaire [34, 35], la fixation d’enzymes catalyseurs [35, 36] et pour la création de
vaisseaux sanguins artificiels [38]. Ils ont également été utilisés comme barrières préventives
post-opératoires pour favoriser la libération contrôlée et ciblée de médicaments [39, 7].
Les systèmes d'administration de médicaments polymères sont capables d'améliorer l'efficacité
thérapeutique, de réduire la toxicité et d'améliorer le confort des patients par la délivrance des
médicaments selon un dosage contrôlé, sur une période donnée et au bon endroit dans
l’organisme. Tout particulièrement, les polyesters et leurs copolymères biodégradables ont montré
leur potentiel en tant que supports pour des applications d'administration médicamenteuses [40,
41]. Parmi les différentes méthodes utilisées pour la préparation de structures polymères
bioactives chargées de l'administration de médicaments, la technique d'électrofilage présente un
certain nombre d'avantages tels que la possibilité de produire des structures dont les surfaces
sont particulièrement grandes permettant une approche de soins douce au dosages légers [42].
Pour les nanofibres électrofilées 3D en applications biomédicales, leurs propriétés physiques et
biologiques, tels que le caractère hydrophile, la résistance mécanique, la solidité, la
biodégradabilité, la biocompatibilité et les interactions cellulaires spécifiques, sont en grande
partie déterminées par la composition chimique des matériaux. Le procédé de fabrication par le
diamètre des fibres, la morphologie et la porosité de la structure peut être modifié, et joue
également un rôle important dans les propriétés et la fonctionnalité finales de la structure.
L'encapsulation et la libération contrôlable d'agents bioactifs tels que les médicaments sont
essentiels pour optimiser : sécurité, efficacité et fiabilité [43]. L'incorporation d'agents bioactifs
dans des fibres électrofilées pourrait conduire à des structures d'ingénierie tissulaire 3D
biofonctionnelles. La biofonctionnalisation de fibres électrofilées déterminera leur efficacité à
régénérer des tissus biologiques. Les structures d'ingénierie tissulaire 3D avec incorporation de
solutions médicamenteuses ou de protéines bioactives ont été étudiées en utilisant, entre autres
techniques, des modifications post-filature, des mélanges médicamenteux électrofilés avec des
polymères ou des nanoparticules, des émulsions électrofilées et de l’électrofilature coaxiale [7]. Le
tableau 4.1 ci-dessous, présente un résumé des caractéristiques de ces techniques de fabrication,
ainsi que leurs avantages et inconvénients, accompagné de quelques publications de travaux les
ayant utilisées.
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3.1 – Modification après électrofilature
Intégrer des médicaments dans des matrices après leur électrofilage permet de varier aisément la
nature des drogues, des mélanges et des concentrations à partir d'une matrice commune. La
simplicité d'adsorption(*) et la charge médicamenteuse sont dues à la grande surface de la
structure qui permet une superficie de fixation optimale. Il s'agit d'une plate-forme de délivrance de
médicaments polyvalente pour relâcher dans l’organisme différentes drogues à partir de la même
matrice, sans que le médicament ne soit exposé au processus d'électrofilage [44]. Intégrer des
facteurs de croissance ou autres protéines dans les structures électrofilées 3D peut également
être réalisé par une modification covalente de la matrice de médicament par électrofilage suivi
d’adsorption. Cependant, cette technique pourrait induire un profil de libération variable selon
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l'interaction médicament / matrice [45]. Le concept de modification post-filage des structures
électrofilées 3D offre d'énormes possibilités pour la libération localisée et contrôlée de
médicaments. Dans le cas de biomolécules sensibles telles que les facteurs de croissance (GFS),
le principal avantage de cette technique est d'éviter les conditions de déstabilisation durant le
processus d’électrofilature. Cependant, à ce jour, seul un nombre limité de publications sur ce
sujet sont disponibles.
(*) En chimie, l’adsorption, à ne pas confondre avec l’absorption, est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des
molécules de gaz ou de liquides (adsorbats) se fixent sur une surface solide.
3.2 – Mélanges et émulsions électrofilées
La plupart des publications qui étudient les matrices fibreuses chargées de médicaments portent
sur la technique d’électrofilage directe de mélange médicament / polymères, tirée d’une solution
médicamenteuse, voir d'une suspension, ou d’une émulsion de solution de polymères
appropriée. Pour une application de mélanges électrofilés, l’incorporation de médicaments ou de
protéines dans des nanofibres, génère un phénomène d'éclatement dans la phase initiale, car les
particules de médicament ont tendance à se localiser sur la surface des nanofibres sous
l’impulsion de la force électrique, au cours du procédé d'électrofilage. En outre, les médicaments
ou les protéines incorporés ont tendance à changer leurs propriétés physiques et chimiques
complexes durant les processus d’électrofilature, de stockage ou de libération. La structure
inhérente des protéines pourrait être modifiée, ce qui affecterait leur bioactivité. Un mélange
électrofilé nécessite de combiner des biomolécules protéiques avec une solution de polymères.
Certains chercheurs ont également appelé cette méthode "émulsion électrofilée" parce que la
solution aqueuse de protéines a été émulsionnée par ultrasons, puis a été mélangée avec la
solution de polymères avant électrofilage.
L’électrofilage d'émulsions suscite de plus en plus d’intérêt [46, 47]. Les émulsions (en
particulier le mélange eau / huile) connaissent habituellement une phase stable occasionnée par
le polymère (généralement un polymère biocompatible / biodégradable) dissous dans un (ou
plusieurs) solvant(s) organique(s), puis une phase de séparation / isolement (transformation
d’une émulsion de particules / en gouttelettes ayant des tailles allant de submicroniques à
microniques) de l'agent bioactif (par exemple, un médicament) dissout dans l'eau. L’électrofilage
d'émulsions peut produire des nanofibres composites :
- « gainées » par des particules de médicaments,
- enduites d’émulsifiants ou de tensioactifs,
- ou imprégnées de polymères biocompatibles et / ou biodégradables,
l’ensemble étant à l'échelle nanométrique.
Ce type de tissage de nanofibres composites possède les caractéristiques combinées d'une
structure d'ingénierie tissulaire 3D et d’un vecteur permettant de délivrer des médicaments
encapsulés tout en maîtrisant leur dosage.
En ce sens, l'encapsulation de substances de faible poids moléculaire tels que le chlorhydrate de
tétracycline ou de l'ibuprofène en nanofibres électrofilées a déjà prouvé son efficacité. Dans la
plupart des cas, le médicament a été dissous ou dispersé dans la solution de polymères et est
encapsulé à l'aide du filage électrostatique. Cependant, dans le cas de mélange de médicament
électrofilé et de polymères, la fonctionnalité du médicament peut être affectée par l'exposition à
des solvants organiques (nécessaires à la bonne dissolution de nombreux polymères) ou par la
charge électrique, ou les contraintes mécaniques, lors du processus d’électrofilage. Il est évident
que des mélanges de solutions de polymères avec des médicaments doivent être considérés
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comme affectant les propriétés des fibres électrofilées. En outre, la solubilité d’un médicament
dans une solution de polymères est également susceptible d'avoir un effet sur sa répartition dans
les fibres mais aussi sur la quantité délivrée.
En revanche, l'encapsulation de substances de poids moléculaire supérieur est plus difficile car
électrofiler des macromolécules éparses est plus difficile que de filage électrostatique de solutions
homogènes de polymères. Dans ce cas, la solution est l’électrofilature coaxiale avec des fibres
structurées en forme de «gaines» autour du principe actif qui a prouvé sa pertinence en tant que
dispositif d'administration de médicaments aux molécules de grosses tailles.
3.3 – « Enveloppe (ou gaine) électrofilées » ou « fibre coaxiale »
Le défi majeur de l’encapsulation de protéines par électrofilature est que, le contact de protéines
hydrophiles avec des solvants organiques et des polymères hydrophobes pourrait conduire à la
déstabilisation de la protéine et à son inactivation. Le mélange électrofilé pourrait seulement
piéger les agents bioactifs à l'intérieur des fibres tout en dispersant la protéine dans la solution de
polymères. Toutefois, les principaux inconvénients sont : un phénomène d’éclatement soudain
sans libération contrôlée, la réduction de leur durée de vie effective, l'influence du processus
d’électrofilature sur leur structure et ses propriétés relatives à la libération d’agent actif et enfin,
sur l'activité biologique des protéines incorporées. Donc, mis à part l'utilisation d’amalgames,
l’électrofilage coaxial est une solution intéressante pour la délivrance de biomolécules sensibles
parce que les fibres coaxiales produites préservent efficacement la structure des protéines, et
ainsi, l'activité biologique au cours du processus d'électrofilage. En conséquence, le procédé
d'électrofilage coaxial s'est avéré être couronné de succès avec divers médicaments, sur des
tailles allant de petites molécules à des macromolécules dont l’activité biologique a été
conservée ; même succès pour l'électroencapsulation de cellules entières, démontrant ainsi
que cette technique permet de garder la viabilité des éléments encapsulés post-procédé [5054]. Comme indiqué dans le chapitre précédent, l’électrofilage coaxial permet la création de fibres
ou capsules contenant deux solutions différentes et composées d'un intérieur et d’un tube
capillaire externe afin de mieux contrôler la cinétique de libération des médicaments ou agents
actifs, contenus, soit dans le noyau, ou soit dans l'enveloppe. Habituellement, le médicament est
incorporé dans la partie «noyau» et libéré à travers le matériau de l'enveloppe, mais il peut être
libéré par les pores aqueux de la fibre de l’enveloppe, les deux solutions empêchant la
dégradation des concentrations. De surcroit, une libération programmable est obtenue en utilisant
une enveloppe (gaine) imperméable, assurant une protection temporaire de la drogue dans le
noyau et le report de l'action du médicament jusqu'à ce que la dégradation de l'enveloppe
commence [7]. Donc, une solution de base hydrophile facilite la fixation en quantité et la
préservation de la bioactivité des protéines, tandis que l'enveloppe de polymère hydrophobe
permet la formation des fibres [56, 55].
Kowalczyk et ses collaborateurs (2008) [57] ont démontré que, en général, des solutions
aqueuses biologiques sont très difficiles à électrofiler en raison de leur faible viscosité. Donc, dans
les deux cas, fibre pleine composée d’un mélange ou fibre coaxiale, différents composés tels que
du polyéthylène glycol, du polyoxyde d'éthylène, du polyéthylène imine ou des dextranes, sont
habituellement ajoutés à la solution biologique aqueuse pour améliorer les propriétés des fibres
[54, 58 , 59]. Sun et ses collègues [60] ont communiqué, pour la première fois, sur la création de
nanofibres coaxiales électrofilées et cette technique s’est avérée très adaptée pour l'encapsulation
de biomolécules et de nanocomposites d’intérêt. Zhang et ses collaborateurs [51] ont également
démontré le succès de l'encapsulation d'une protéine modèle, la fluorescéine de sérum-albumine
bovine conjuguée à de l'isothiocyanate, ainsi que du polyéthylène glycol à l'intérieur d’une
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nanofibres composée de polycaprolactone biodégradable (PCL), en utilisant une technique
d'électrofilage coaxial.
Ji et ses collègues [54] ont produit des structures de nanofibres à base de PCL avec une protéine
incorporée (sérumalbumine bovine) soit par mélange, soit par électrofilature coaxiale, et ils ont
comparé les deux techniques tout en respectant le procédé en place, les caractéristiques de la
structure, ainsi que la cinétique de libération et l’activité biologique de la protéine ensemencée.
Ces auteurs ont conclu que l’électrofilage coaxial était supérieur à l’utilisation de fibres monobloc
pour la préparation de structures de nanofibres 3D. Une fibre coaxiale permet de créer une
structure fibreuse avec une répartition uniforme des protéines, une cinétique de libération
prolongée ainsi qu’une meilleure préservation de l'activité de la protéine. Il a également été
démontré que les structures en fibres coaxiales ultrafines protégeaient l'intégrité structurale de la
forme, la bioactivité du lysozyme encapsulé, et une amélioration de l'effet protecteur (gainant)
pour les fibres préparées à partir de matrices de polyéthylène glycol (PLA) [59]. Plus récemment,
Micknova et ses collaborateurs [55] ont également comparé les deux technologies de nanofibresliposomes : monobloc et coaxiale. Concrètement, ils ont produit des nanofibres monobloc aux
liposomes dispersés au sein de leur noyau et des fibres coaxiales avec les liposomes enveloppés
(gainés), et ils ont trouvé et démontré que le plus grand potentiel de liposomes intacts résidait
dans les fibres par électrofilage coaxial, en comparaison avec les fibres monobloc.
Bien que la technique d’électrofilature coaxiale puisse conduire à la formation de nanofibres ayant
des structures : noyau / enveloppe, avec des gaines composées de polymères biocompatibles /
biodégradables, et des noyaux contenant les agents bioactifs [51], les conditions du procédé
doivent être ajustées de façon judicieuse et il est souvent difficile d’obtenir les résultats souhaités.
L’électrofilage coaxial a également été utilisé pour encapsuler des fragments biologiques comme
des bactéries, des virus, des cellules, etc., générant des membranes vivantes. En ce sens [61], la
possibilité d'utiliser la technologie d'électrofilage coaxial pour la production de structures
composées d'organismes vivants sous forme de fils ou de forme tridimensionnelle a été
démontrée. Les bactéries (Escherichia coli, Staphylococcus) et virus (T7, T4, λ) ont également été
encapsulés et ont survécus au procédé d’électrofilature. Ils sont restés viables pendant trois mois
à des températures basses comprises entre -20 et -50 ° C. En outre, une dispersion de virus M13
dans une solution aqueuse de vinyle pyrrolidone (PVP) a été transformée en nanofibres par filage
électrostatique, et les fibres électrofilées chargées en virus-PVP obtenues ont maintenu leur
capacité à infecter des hôtes bactériens, après remise en suspension dans une solution tampon.
Par conséquent, des nanofibres coaxiales contenant des agents biologiques peuvent être
préparées directement sans nuire à la fonctionnalité biologique de leurs hôtes.
Trachée humaine en nanofibres
Vaisseau sanguin en nanofibres implanté
dans une artère fémorale de porc
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4 – Autres applications d’encapsulation par électrofilage
4.1 – Dispositifs de stockage d’énergie
Le développement de systèmes d'énergies «propres» et de stockage de l'énergie s'est intensifié
au cours des dernières années en raison des problèmes économiques et environnementaux liés à
la population mondiale croissante et aux sources d'énergie de plus en plus exploitées de nos
jours. Dans ce domaine, les dimensions nanométriques obtenues par électrofilage confèrent des
propriétés spécifiques, telles que l’accroissement d
es surfaces spécialement élevé qu’offre cette technologie, l’optimisation des facteurs taille/ratio, la
faible densité et le volume de pores élevé qui permettent l'amélioration des performances de ces
systèmes. Par conséquent, l'utilisation de filage électrostatique pour des dispositifs liés à l'énergie
a augmenté ces dernières années [64]. En outre, l’électrofilature a été utilisée pour des
applications d'encapsulation dans des systèmes de stockage d'énergies spécifiques, comme
l'énergie thermale ou l'énergie électrochimique.
4.2 – Stockage d’énergie thermale
Récemment, l'utilisation de matériaux à changement de phase(*) (MCP) pour le stockage de
l'énergie thermique a concentré une grande attention en raison de l'augmentation de la
consommation d'énergie et des problèmes environnementaux liés à la pollution. Les MCP sont
capables d'absorber et de libérer une grande quantité de chaleur latente au cours de leur
processus de transition de phase, sur une plage étroite de températures. Donc, ils peuvent être
utilisés pour améliorer la capacité de stockage d'énergie de différents matériaux. Les MCP sont
généralement classés en deux catégories : les matériaux inorganiques, tels que les hydrates de
sels ; et les matériaux organiques, tels que les paraffines ou les acides gras. Un grand nombre de
composés peut être identifié en tant que MCP à partir de leur température de fusion. Cependant,
ils doivent également présenter des caractéristiques physiques, chimiques et cinétiques
appropriées. Néanmoins, l'utilisation de ces matériaux pour des applications de stockage
d'énergie thermique présente certains inconvénients, tels que leur faible stabilité thermique, leur
faible conductivité thermique et le fait que certains d'entre eux sont des liquides à température
ambiante et, par conséquent, ne sont pas faciles à manipuler. L'encapsulation de la MCP est une
solution plausible pour éviter ces problèmes. Certains des avantages de l'introduction de ces
matières à l'intérieur d'un matériau de protection sont les suivants :
1°) le MCP est protégé contre les influences de l'environnement extérieur;
2°) un accroissement important de la surface de transfert de chaleur;
3°) les changements de volume de la MCP durant sa phase de transition sont supportés;
4°) une matrice solide gainante permet une manipulation et un transport plus facile de
certaines matières;
5°) la miniaturisation des systèmes de stockage d'énergie conçus.
En conclusion, l'encapsulation des MCP les rend plus aptes à être utilisés dans de nombreux
domaines, tels que : les matériaux de construction, l'emballage des produits sensibles à la
température, dans le conditionnement d'air, dans le stockage d'énergie solaire, de serres, de
régulation de la température de textiles, l’électronique et les systèmes biomédicaux [67].
(*)On appelle matériau à changement de phase - ou MCP - tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de
température restreinte située entre 10 et 80 degrés.
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Il existe de nombreuses méthodes développées pour l'encapsulation de MCP. Les techniques les plus
courantes sont la polymérisation interfaciale [68], la polymérisation en émulsion [69], la polymérisation in
situ [70], de dépôts couche par couche de polyélectrolytes [71], un séchage par pulvérisation et la
coacervation(*) [72]. Cependant, très peu de MCP peuvent être encapsulés par certaines de ces
techniques qui obtiennent uniquement des particules de grande taille, ce qui réduit l'efficacité du transfert
de chaleur [73]. Par conséquent, la technique de filage électrostatique est une approche novatrice pour
encapsuler les MCP [74] et concevoir de nouveaux dispositifs thermiques de stockage d'énergie.
L’électrofilage peut encapsuler des matériaux à l'état fondu ainsi que des solutions de polymères,
élargissant encore plus la gamme de matrices d'encapsulation qui peuvent être réalisées. Un avantage
important de cette technique est l'utilisation appropriée de matériaux issus de la biomasse et de polymères
biodégradables pour l’encapsulation d’éléments, dans le strict respect environnemental. Donc, les
matériaux issus de la biomasse ne sont pas seulement flexibles et faciles à être encapsulés, mais ils
peuvent aussi aider à réduire l’impact sur l'environnement et l'empreinte carbone. Récemment, des
matériaux de gestion de la chaleur avec des applications potentielles dans le bio-emballage alimentaire
(pour maintenir la chaîne du froid, par ex.) ont été développés par le biais de l’électrofilature. Ces
structures ont consisté en une matrice de zéine contenant de la dodécane(**) encapsulée (une paraffine
MCP qui a une température de transition à -10 ° C). Les caractéristiques thermiques et le rendement
d'encapsulation varient selon la morphologie des structures encapsulées. A titre d'exemple concernant ce
type de structure de gestion de la chaleur, la figure ci-dessous présente quelques polymères encapsulés et
leurs différentes morphologies obtenues par électrofilature.
Images MEB de - a): perles PLA / PCM, et b): fibres zéine / PCM.
(*)Coacervation : nom féminin, (latin coacervatio, -onis, groupement). Phénomène de séparation en deux phases de
certaines solutions macromoléculaires. (L'une des phases, très fluide, ne renferme qu'une petite quantité de
molécules à faible degré de polymérisation. L'autre, le coacervat, contient les macromolécules de degrés de
polymérisation les plus élevés.)
(**)Le dodécane est un alcane linéaire de formule brute C12H26. C'est un liquide huileux de la série des paraffines. Il possède 355
isomères structuraux. Le dodécane est utilisé comme solvant, de solvant d'entraînement en distillation et de composé scintillateur.
4.3 – Stockage d’énergie électrochimique
Dans les dernières décennies, une attention considérable a été accordée aux systèmes de
stockage d'énergie électrochimique en raison de leurs applications dans les appareils
électroniques portables. Dans ce domaine, les défis à venir concernent l’utilisation de ces
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systèmes dans des applications plus exigeantes telles les batteries de véhicules électriques ou
hybrides. Par conséquent, des avancées et améliorations significatives sont nécessaires
concernant divers aspects de ces matériaux. Jusqu'à présent, les batteries lithium-ion
rechargeables (LiB) ont été les systèmes les plus étudiés et employés dans ce domaine.
Toutefois, certaines fonctionnalités de LiB, telles que : densité d'énergie, cycle de vie, taux de
charge / décharge, sécurité et coût, doivent être améliorées afin d'atteindre une performance
satisfaisante et une commercialisation généralisée [64, 76].
Une stratégie visant à améliorer l'efficacité et la pérennité de ces batteries consiste à abaisser leur
poids, volume et coût grâce à la conception de matériaux composés de nanostructures pour une
utilisation en tant qu’électrodes de ces batteries. L'utilisation de l'électrofilage pour encapsuler les
composants de cathodes et d'anodes a été rapportée comme étant une autre approche
polyvalente pour la fabrication de ces éléments, car cette technologie permet d’obtenir des
géométries nanométriques qui augmentent de manière significative la capacité de vitesse et de
puissance de densité de la batterie et multiplient les surfaces de contact entre l’électrode et la
zone d'électrolyte, ce qui, par ailleurs, permet de réduire les coûts de fabrication [64]. Plus
précisément, l’oxyde de magnésium ou magnésie (MgO) a été utilisé comme matériau gainant
pour encapsuler de l’oxyde de cobalt (LiCoO2), qui est le composé de la cathode utilisé dans la
plupart des batteries commerciales. L'encapsulation augmente la stabilité et les performances du
LiCoO2 [77]. En outre, un revêtement en carbone assure une conductivité plus élevée qui
accélère le déplacement des ions. Par conséquent, les nanofibres électrofilées de carbone ont été
chargées en particules de métal ou en particules d'oxyde de façon à être utilisées pour la
fabrication d'anodes. Dans ce domaine, les matériaux les plus étudiés sont Si, Sn et Ni [76, 7880].
4.4 – Appareils optiques et électroniques
Récemment, les fils (micro câbles) constitués de particules de métal ont fait l'objet de recherches
scientifiques en raison de leur utilisations potentielles en tant que composants actifs pour les
interconnexions qui peuvent être utilisées dans la fabrication d’appareils optiques et électroniques
[81]. Cependant, il a été rapporté que ces fils métalliques sont très sensibles aux conditions
ambiantes, telles que de l'air et l'humidité, et donc liés à la dégradation des appareils où ils sont
incorporés qui pourrait se produire [82]. Jusqu'à présent, les méthodes de synthèse pour la
construction de nanostructures métal-isolant ont porté sur des procédés tels que : le dépôt par
laser pulsé [83, 84], la pulvérisation cathodique par faisceau ionique [85] et le dépôt chimique en
phase vapeur [86]. Cependant, la plupart de ces méthodes connaissent généralement des
problèmes et ont un coût élevé. Ainsi, de nouvelles approches doivent être développées pour
répondre aux exigences de ces applications. Par rapport à ces autres technologies
d'encapsulation, l’électrofilage est un procédé simple et de faible coût pour la préparation de
grandes nanofibres ultrafines à échelle industrielle et qui peuvent agir en tant que revêtement pour
les composants métalliques. La coque (gaine) pourrait protéger les fils métalliques contre
l'oxydation et la corrosion provoquées par les conditions environnantes, améliorant ainsi la
performance et la longévité des appareils. Quelques exemples de l'utilisation d’électrofilage dans
ce secteur d’activité sont l'encapsulation de particules d'argent à l'intérieur d'une enveloppe
polymère en oxyde de polyéthylène (PEO) et de polyéthylène glycol (PEG), et l'encapsulation de
nanoparticules d'or pour la constitution de nanofibres en polyvinylpyrrolidone (PVP) [87].
Plus récemment, des matériaux biologiques photosynthétiques ont beaucoup attiré l'attention de
part leurs perspectives, non seulement dans les dispositifs optoélectroniques, mais aussi en ce
qui concerne le photovoltaïque organique (OPV), les applications à base de capteurs leur
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conférant une photo- sensibilité supérieure et des propriétés intrinsèques de biodégradabilité et de
renouvelabilité. Les protéines pigmentées des matériaux biologiques photosynthétiques sont
insérées dans une enveloppe à double membranes appelée thylacoïdes. Cette enveloppe abrite
les réactions de photosynthèse qui sont responsables de l'ATP synthase (*). L'inclusion de
thylacoïdes dans la matrice d’un matériau pour des applications photo-électroniques ou de
capteurs est d'un intérêt particulier parce que l'encapsulation de thylacoïdes intacts et
opérationnels serait une étape vers une photosynthèse de "matière vivante". En ce sens, un
travail récent a montré que l’électrofilage peut être une technique utile à cette fin, et des
nanofibres de solution composée de thylacoïdes, de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) /
polystyrène sulfonate (PEDOT) et de polyoxyde d'éthylène (PEO) ont été développées, générant
des nanofibres conductrices d'électricité avec des changements dans leurs propriétés
électroniques de réponse à la lumière [89].
L’électrofilage s'est également avéré très utile pour générer des capteurs optiques qui sont des
alternatives intéressantes aux capteurs électrochimiques pour la surveillance de paramètres
biologiques tels que l'oxygène et le pH, car ils sont faciles à miniaturiser, rentables et peuvent être
lus sans contact physique [90]. Un matériau multifonctionnel a été développé par co-filage
électrostatique, dans lequel des suspensions hydrophobes constituées par la dissolution de
PMMA, des nanoparticules magnétiques et un indicateur d'oxygène hydrophobe et luminescent
ont été encapsulées dans un copolymère fluorescent réactif au pH. Ces « tapis » de fibres
gainantes étaient magnétiques et avaient une structure bien organisée qui a permis,
simultanément, le contrôle optique de pH et d’O2 in situ et en temps réel [91].
(*)L'ATP synthase (EC 3.6.3.14) est un complexe protéique enzymatique qui se trouve dans les crêtes mitochondriales, la
membrane des thylacoïdes, et la membrane plasmique des bactéries et des archées. Les ATP-synthases, parfois appelées « sphères
pédonculées », constituent 15 % de la masse protéique de la membrane mitochondriale. Elles peuvent être considérés comme de
véritables turbines (ou moteurs) moléculaires. Elles sont indispensables à la vie des organismes car l'ATP produit constitue la
« monnaie énergétique » des cellules.
4.4 – Biotechnologies et protection des végétaux
La libération de phéromones femelles afin de provoquer la confusion des insectes mâles, et donc
d'éviter certains fléaux destructeurs dans les cultures, a été réalisée avec succès. Cette technique
est actuellement employée dans le domaine de la protection des végétaux. Cependant, elle
présente certains inconvénients tels que la distribution hétérogène de la phéromone le long de la
zone traitée et le maintien insatisfaisant de la concentration requise de la phéromone sur une
longue période de temps. La microencapsulation de phéromones femelles dans un matériau
protecteur et diffuseur éviterait aux phéromones d’être balayées par les vents, les orages et les
fortes pluies, et permettrait de contrôler la vitesse à laquelle elles sont libérées, tout en exerçant
une distribution homogène sur la surface traitée. Cela autoriserait la réduction d’une grande
quantité de phéromones par rapport aux autres techniques de distribution [92]. L’électrofilage
pourrait donc être également utilisé dans ce domaine pour produire des systèmes de protections
biotechnologiques de plantes basés sur l'encapsulation de phéromones. Un avantage important
de cette technique est l'utilisation appropriée de matériaux issus de la biomasse et de polymères
biodégradables servant à l'encapsulation. Ces matériaux présentent, non seulement souplesse et
efficacité d’encapsulation mais permettent de préserver l'environnement agricole et de réduire
l'empreinte carbone. Un exemple de l'utilisation d'électrofilage dans ce domaine est la production
de microcapsules d’oligolactides (OLA) –phéromones fixées à l'intérieur de nanofibres de
polyesters biodégradables [92].
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5 – Perspectives et conclusions
L’électrofilage consiste à la création de structures solides (fibres ou capsules) en utilisant les
forces électrostatiques, et est une technique polyvalente avec un énorme potentiel dans
l’encapsulation de composés pour de nombreuses applications, telles que les structures
biomédicales pour la libération contrôlée de médicaments, l’alimentation fonctionnelle, la
bioremédiation(*), les systèmes de stockage d'énergie, etc. Le nombre de documents sur la
recherche portant sur ces techniques d’électrofilature a augmenté de façon exponentielle depuis
le milieu des années 90, en élargissant les domaines de recherche où cette technologie a été
appliquée. La présente réflexion porte sur les matériaux créés par cette technologie qui, au
regard de leur caractéristiques uniques et à la simplicité du procédé, suscitent un intérêt
accru dans de nombreux domaines de connaissance. En outre, des progrès significatifs ont
été réalisés concernant cette technique et la conception des équipements de fabrication
permettant, aujourd’hui, de générer différentes morphologies d’une, ou même simultanément de
plusieurs substances, ce qui est de bon augure pour l'expansion de l’électrofilature à des fins
d'encapsulation. En outre, par extrapolation, au vu des structures électrofilées développées au
stade de la recherche et destinées à une échelle commerciale, cette technologie peut être réalisée
assez facilement et il existe déjà des appareils d’électrofilature permettant une fabrication à
l’échelle industrielle disponibles sur le marché.
(*)La bioremédiation consiste en la décontamination de milieux pollués au moyen de techniques issues de la dégradation
chimique ou d'autres activités d'organismes vivants.
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