Microencapsulation d’agent antimicrobien pour le développement de conditionnements primaires fonctionnalisés

  • Etudiant :  BILE Jessica
  • Diplôme : Thèse FUI
  • Durée d’encadrement :  Octobre 2012 – Octobre 2015
  • Encadrement : Chevalier yves, Bolzinger M.A.

Title
Antimicrobial agent microencapsulation for the development of functionalized primary containers.

Abstract
Nowadays there is an urgent need of cosmetic products containing low amounts of preservatives which represents a real technological challenge.
In this context, the primary container plays a key role and has to be source of proposals. The objective of this study is to realize an active
packaging containing coated thin films with embedded antimicrobial microparticles. The aim of this functionalized primary container is to
ensure the formulation preservation at specific areas which are prone to contaminations. Thanks to the localized action of the active packaging the
antimicrobial agent concentration into the bulk of the formulation will be reduced to the minimal amount necessary to ensure the product protection.
First, this work focused on the formulation of microparticles loaded with antimicrobial agent using the emulsion/solvent evaporation method. Several
morphologies have been obtained with non-smooth microparticles characterized by scars and defects, roughness and holes. The parameters
and the physico-chemical mechanisms involved in these morphological deteriorations have been identified and discussed. It has been shown that
the formulation and processing parameters as the polymer mass and molar mass, the surfactant as well as the speed and shear rate of the propeller
play a key role in the final microparticles surface states. This study proved that there is a competition between solvent evaporation and the
coalescence of emulsion droplets which is responsible for the morphological degradations. Following this study, the resulting microspheres loaded with phenylethyl alcohol were dispersed in a binder and coated as thin films of various thicknesses by the dip-coating method at the polyolefin surface. It has been measured that the use of microparticles slows the antimicrobial agent diffusion by increasing the number of polymeric matrices that have to be crossed in order to reach the external medium. Such thin films resulted in an antimicrobial agent delivery up to 3 months which is 15 times higher than the delivery
obtained for the non-encapsulated antimicrobial agent. The antimicrobial activity of the phenylethyl alcohol in an emulsion has also been investigated. The phenylethyl alcohol partition between the water phase, the oil phase and the micellar phase of an emulsion has been measured.
These results led to the development of a mathematical model calculating the fraction of free antimicrobial agent present in the aqueous phase. It has been correlated with emulsion dosages and microbiological measurements using the five microorganisms of the challenge test during 14 days. It has been demonstrated that calculations enable the prediction of the antimicrobial agent concentration needed to ensure the antimicrobial protection. In particular, this work proved that the phenylethyl alcohol quantity necessary for antimicrobial protection is respectively 1.6 and 4.3 times higher for a micellar solution and an emulsion compared to an aqueous solution.

Keywords
Microencapsulation by solvent evaporation, preservative, antimicrobial thin film, drug delivery, phenylethyl alcohol, antimicrobial active packaging

  • Etudiant :  BILE Jessica
  • Financement : FUI
  • Diplôme : Thèse FUI
  • Durée d’encadrement :  Octobre 2012 – Octobre 2015
  • Encadrement : Chevalier Yves, Bolzinger M.A.

La soutenance de thèse intitulée: « Microencapsulation d’agent antimicrobien pour le développement de conditionnements primaires
fonctionnalisés » s’est tenue le mercredi 21 octobre 2015 à 14h30 dansl’amphithéâtre de physique nucléaire (bâtiment Dirac, 4 rue Enrico Fermi, 69622 Villeurbanne.

Résumé
Il existe aujourd’hui un réel besoin de produits cosmétiques contenant une teneur réduite en conservateur ce qui représente un véritable challenge
technologique. Dans ce contexte, le conditionnement primaire joue un rôle majeur et doit être force de propositions. L’objectif de cette étude est
de réaliser un conditionnement actif antimicrobien par enduction d’un film mince contenant des microparticules d’agent antimicrobien. Le but de ce
conditionnement primaire fonctionnalisé est d’assurer la protection de la formulation à des endroits ciblés sensibles à la contamination. Cette
action spécifique permettra de réduire la concentration en agent antimicrobien au sein de la formule à la dose minimale nécessaire pour
assurer la conservation du produit.
Dans un premier temps, ce travail a concerné la réalisation de microparticules chargées en agent antimicrobien suivant la technique de microencapsulation par évaporation de solvant en émulsion simple.
Différentes morphologies ont été obtenues avec des microparticules éloignées du standard lisse, démontrant des cicatrices et des défauts, de
la rugosité ou encore des trous. Les paramètres ainsi que les mécanismes physico-chimiques responsables des dégradations morphologiques ont été
identifiés et discutés. Il a été démontré que les paramètres de formulation tels que la masse et masse molaire du polymère ou encore la présence de tensioactifs ainsi que les paramètres du procédé tels que la force et la vitesse de cisaillement modifient l’état de surface finale des microparticules. Ce travail a notamment prouvé qu’il existe une compétition entre la cinétique d’évaporation du solvant et la vitesse de coalescence des gouttelettes d’émulsion qui est à l’origine des dégradations morphologiques. Suite à cette étude, les microsphères résultantes contenant de l’alcool phényléthylique ont été enduites à la surface du conditionnement primaire polyoléfine sous forme de films minces de différentes épaisseurs grâce à la technique de revêtement par
immersion. L’introduction de microparticules au sein du liant ralentit la diffusion de l’agent antimicrobien en augmentant le nombre de matrices
polymériques à traverser pour atteindre le milieu extérieur. La réalisation de telles couches a permis d’obtenir des libérations sur des périodes supérieures à au moins trois mois ce qui est 15 fois plus important que celles obtenues pour l’agent antimicrobien non encapsulé. Ce travail de thèse a également étudié l’activité antimicrobienne de l’alcool phényléthylique au sein d’une émulsion. Il a été mesuré le partage de l’alcool phényléthylique entre les phases aqueuse, huileuse et micellaire de l’émulsion. Les résultats obtenus ont permis de développer un modèle mathématique calculant la fraction en agent antimicrobien libre présent en solution aqueuse. Ce dernier a été corrélé à des dosages de l’émulsion et des mesures microbiologiques utilisant les cinq souches microbiennes du challenge test sur 14 jours. Ainsi, il a été démontré que les calculs permettent de prédire la concentration en conservateur nécessaire afin d’assurer la protection antimicrobienne des formulations. Cette étude a notamment prouvé que la quantité d’alcool phényléthylique nécessaire à la conservation des formulations est respectivement 1,6 et 4,3 fois plus importante dans une solution micellaire et une émulsion par rapport à une solution aqueuse.


Mots clefs

Microencapsulation par évaporation de solvant, conservateur, film mince antimicrobien, cinétique de libération, alcool phényléthylique, conditionnement actif antimicrobien

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