La présente invention concerne l'obtention, par extrusion, d'un élément longiforme de polysaccharide ; elle concerne notamment le filage du chitosane.

Le chitosane est un dérivé désacétylé de la chitine. Il s'agit d'un copolymère linéaire composé de la distribution le plus souvent statistique de D-giucosamine (résidu ou unité désacétylée) et de N-acétyl- D-glucosamine (résidu ou unité acétylée) reliés ensemble par des liaisons glycosidiques β,(l->4). Le chitosane est biodégradable et biocompatible. De façon générale, il est également bioactif, notamment hypocholestérolémiant, bactériostatique, fongistatique et regénérateur de tissus vivants. Du fait de ces propriétés, il trouve naturellement son intérêt dans les domaines de la cosmétique, de la diététique, de la pharmacie et des biomatériaux.

La technique la plus répandue pour le filage du chitosane est du type filage au mouillé (Georges C. East et Yimin Qin, Wet spinning of chitosan and the acetylation of chitosan fibers, Journal of Applied Polymer Science, 1993, 50 (10), 1773-9) ; elle consiste à réaliser un collodion de chitosane en mettant du chitosane en solution aqueuse en milieu acide dilué, notamment acide acétique, à extruder ledit coliodion à travers une filière dans un bain de coagulation alcalin, généralement une solution de soude, de potasse ou d'ammoniaque, à laver, sécher, puis bobiner le filament coagulé obtenu. L'acide dans le collodion est en quantité stoechiométrique par rapport aux fonctions aminé du chitosane de sorte que l'on obtient la dissolution du chitosane, grâce à la protonation des fonctions aminé de l'unité glucosamine. Lors de l'extrusion du collodion dans le bain alcalin, notamment de soude, de potasse ou d'une solution d'ammoniaque, la fonction aminé est déprotonée, ce qui provoque la précipitation du chitosane et la formation d'un sel, notamment d'acétate de sodium, de potassium ou d'ammonium, sel qui est ensuite éliminé lors de l'étape de lavage.

Dans le document WO2005/025520, est proposée une technique de filage qui diffère de la précédente en ce que l'agent coagulant n'est plus une solution alcaline mais un gaz alcalin, en particulier l'ammoniac. Cette technique de filage à sec permet de supprimer tous les milieux aqueux en sortie de filière, y compris les bains de lavage. En effet, étant donné que le sel d'acétate d'ammonium formé à l'intérieur des filaments lors de coagulation en présence du gaz ammoniac est facilement hydrolyse en acide acétique et ammoniac, son élimination totale ou partielle a été possible par la mise en place d'un système de séchage à air chaud humide permettant de remplacer les étapes de lavage/séchage du procédé classique de filage par voie humide. Il est à noter qu'il peut d'ailleurs être intéressant de maintenir une certaine présence de sels résiduels pour certaines applications du fait que cette présence contrôle les propriétés de gonflement des fibres en milieu fortement hydraté.

La présente invention a pour objet un nouveau procédé d'obtention d'un élément longiforme de polysaccharide qui diffère des deux techniques mentionnées ci-dessus.

De manière connue, ce procédé comporte une opération d'extrusion d'une solution extrudable dudit polysaccharide à travers une filière d'extrusion et une opération de coagulation de la solution extrudée.

De manière caractéristique, la solution extrudable est une solution hydro-alcoolique contenant un alcool ne formant pas un azéotrope avec l'eau et ayant une température d'ébullition d'au moins 150 ⁰ C à pression atmosphérique et l'opération de coagulation comprend une étape d'évaporation de l'eau préférentieîlement à l'alcool conduisant à l'obtention d'un élément longiforme extrudé gélifié, sous forme d'un gel principalement alcoolique, notamment en soumettant la solution extrudée à l'action d'un flux d'air chaud. De plus le procédé comporte au moins une opération d'élimination de l'alcool contenu dans ledit gel pour obtenir l'élément longiforme de polysaccharide.

Ainsi, selon la présente invention, en sortie de coagulation, l'élément longiforme gélifié se présente sous la forme d'un gel principalement alcoolique et la formation de l'élément longiforme de polysaccharide est obtenue après élimination de l'alcool qui est contenu dans ledit gel.

Selon une variante de réalisation, le polysaccharide présent dans l'élément gélifié est sous forme ionisée et le procédé comprend une opération de neutralisation de l'élément gélifié. Cette opération vise à neutraliser les charges portées par les formes ionisées présentes dans le gel, ce qui conduit à la suppression des forces électrostatiques en faveur des interactions hydrophobes et des liaisons hydrogène responsables de la réticulation physique des chaînes polymère. Si les formes ionisées sont du type polycation, l'opération met en œuvre une base pour neutraliser complètement le polymère ; par exemple dans le cas où la solution extrudable de polysaccharide est une solution acide de chitosane, la base réalise la dépronotation de la forme ammonium ~-NH3 ⁺ sous forme -NH2.

Si les formes ionisées sont du type poiyanion, l'opération met en œuvre un acide pour neutraliser complètement le polymère ; par exemple dans le cas où la solution extrudable de polysaccharide résulte de Ia mise en solution de hyaluronane ou d'alginate dans une solution aqueuse à pH neutre, l'acide réalise la reprotonation de la forme - COO ^" sous la forme -

COOH. De préférence, dans cette même variante de réalisation, l'opération de neutralisation est suivie d'une opération de lavage en sorte d'éliminer les sels formés.

L'alcool contenu dans l'élément extrudé gélifié est éliminé au cours de l'opération de neutralisation, lorsque celle-ci intervient, par passage dans un bain contenant une solution, basique ou acide selon le cas et également au cours de l'opération de lavage. Au moins dans le cas de cette variante de réalisation de la présente invention, mettant en œuvre une opération de neutralisation, l'élément longiforme obtenu présente une structure cristalline particulière, structure qui se caractérise par une prédominance de l'allomorphe anhydre, alors qu'avec les autres techniques connues, il s'agit d'une forme hydratée.

Selon une variante de réalisation, le procédé comprend également une étape de séchage de l'élément longiforme de polysaccharide.

L'alcool, contenu dans la solution extrudable, qui ne forme pas un azéotrope avec l'eau et qui a une température d'ébullition supérieure à 150 ⁰ C, est choisi notamment dans le groupe : 1,2- et 1,3-propane-diol, 1,2-, 1,3- et 1,4-butane-diol et 1,2,3-propane-triol. Les températures d'ébullition sont respectivement de 188° C et 215°C pour le 1,2- et 1,3- propane-diol , 191°C, 208 ⁰ C et 230 ⁰ C pour le 1,2-, 1,3- et 1,4-butane-diol et 290° C pour le 1,2,3-propane-triol (ou glycérol). Selon l'invention, l'alcool ne doit pas former d'azéotrope avec l'eau car, dans le cas contraire, c'est l'azéotrope - c'est-à-dire le mélange eau/alcool - qui est évaporé et non préférentiellement l'eau, comme cela est recherché.

De préférence, l'évaporation d'eau, préférentieliement à l'alcool, est réalisée en soumettant la solution extrudée à l'action d'un flux d'air chaud à une température comprise entre 70 ⁰ C et 130 ⁰ C. On comprend que la température en question peut varier en fonction de la température d'ébullition de l'alcool retenu pour la formation de la solution hydroalcoolique extrudable. Le procédé de la présente invention s'applique au chitosane et à de nombreux autres polysaccharides, principalement ceux qui sont solubles dans l'eau et filmogène et notamment qui présentent des liaisons glycosidiques β,(l->4). On peut citer les dérivés de cellulose, l'acide hyaluronique, des hémiceiluloses, des alginates et des pectines. S'agissant plus particulièrement du chitosane, de préférence la solution hydroalcoolique extrudable est obtenue en mettant du chitosane dans une solution aqueuse d'acide, notamment en milieu acide acétique, et en ajoutant l'alcool retenu, ne formant pas un azéotrope avec l'eau et ayant une température d'ébullition supérieure à 15O ⁰ C ; de plus, le bain de neutralisation est, dans ce cas, une solution d'ammoniaque ou de soude.

L'élément longiforme obtenu par le procédé de l'invention est préférentiellement un fil, l'extrusion étant réalisée à travers une filière de filage, soit une filière unique pour former un filament continu, soit une filière multiple pour former un fil multifiiamentaire. Dans ce cas, le procédé comporte une opération ultime de bobinage du filament ou du fil multifiiamentaire obtenu. Cependant, le procédé n'est pas limité au filage, l'élément longiforme pouvant se présenter comme un profilé de section quelconque, fonction de la configuration de la filière d'extrusion. Il peut s'agir notamment d'un film, d'une plaque ou d'un tube.

S'agissant plus particulièrement du filage d'un fil de poiysaccharide, le procédé comporte au moins une opération d'étirage avant, pendant et/ou après élimination de l'alcool. De préférence cet étirage intervient au moins dès la sortie de la filière d'extrusion.

Selon une variante de réalisation, on règle les conditions d'évaporation en sorte d'éliminer une quantité contrôlée d'eau contenue dans la solution hydroalcoolique extrudée, en sorte d'obtenir un élément longiforme, notamment un fil, dont la structure cristalline comporte une fraction contrôlée d'une structure correspondant à l'allomorphe anhydre du poiysaccharide.

S'agissant du filage de chitosane, le fil obtenu dans les conditions ci-dessus présente, grâce à sa structure ailomorphe anhydre, des propriétés mécaniques améliorées en particulier une contrainte à la rupture, après immersion dans de l'eau déminéralisée pendant quinze heures, d'au moins 150 MPa. De plus dans le fil de chitosane obtenu par le procédé de la présente invention, l'allomorphe anhydre n'a pas été formé au détriment des chaînes du polymère ce qui permet de maintenir dans le fil un chitosane ayant une masse moléculaire moyenne en masse élevée, notamment supérieure à 350 000 g/mol. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après d'un exemple de fabrication d'un fil de chitosane illustré par le dessin ci-annexé dans leque!

La figure 1 est une représentation schématique de l'installation de filage et

La figure 2 illustre des essais comparatifs.

L'installation 1 comporte, successivement, une extrudeuse 2 et sa filière d'extrusion 3, une enceinte d'évaporation 4, une unité de neutralisation 5, une unité de lavage 6, un système d'étirage 7, une unité de séchage 8 et une unité de bobinage 9.

L'installation ayant la composition ci-dessus peut permettre la fabrication d'un fil, soit un filament continu, soit un fil multifilamentaire selon que la filière d'extrusion 3 est une filière simple à trou unique ou comportant une pluralité de trous ; elle peut également permettre la fabrication d'un film, enroulable sous forme de bobine, avec une filière 3 ayant une section rectangulaire.

S'il s'agit d'extruder une plaque, ou tout autre forme (fibre creuse, tube, profilés divers) non enroulable sur elle-même, l'installation devra comporter des moyens complémentaires de coupe et de manipulation séquencées pour la fabrication de tronçons unitaires de ladite plaque.

L'exemple détaillé qui va être décrit ci-après est relatif à la fabrication d'un fil de chitosane ; cet exemple n'est pas limitatif de la présente invention, celle-ci pouvant concerner la fabrication de tout élément iongiforme de polysaccharide susceptible d'être solubilisé sous Ia forme d'une solution filable hydroalcoolique et qui, de plus, présente des propriétés filmogènes. On peut citer en particulier les éthers de cellulose tels que la carboxymethylcellulose (CMC), l'hydroxypropylcellulose (HPC), la méthylcellulose (MC), la méthyiéthylcelluiose (MEC), l'hydroxyméthyl cellulose (HPMC), les esters de cellulose et principalement l'acétate de cellulose, l'acide hyaluronique, certaines hémicelluloses, les alginates, certaines pectines notamment l'homogalacturomanane. La solution hydroalcoolique de chitosane est réalisée en dissolvant le chitosane dans une solution aqueuse d'acide puis en ajoutant dans cette solution un alcool qui ne forme pas d'azéotrope avec i'eau et qui a une température d'ébullition très supérieure à celle de l'eau, à savoir d'au moins 150 ⁰ C. La solution aqueuse d'acide, de préférence acide acétique, est obtenue en ajoutant une quantité d'acide qui est stoechiométrique par rapport aux fonctions aminé libre du chitosane dissous. L'alcool choisi pour obtenir la solution hydroalcoolique de chitosane est par exemple le 1,2- propane-diol qui a une température d'ébullition de 188°C. Avant d'être extrudée, la solution hydroalcoolique est dégazée pour éliminer les bulles de gaz pouvant être à l'origine de défauts dans le fil obtenu.

La solution hydroalcoolique doit présenter une viscosité suffisante pour permettre l'extrusion mais pas trop importante pour ne pas avoir des temps de dégazage trop longs. Pour cela, on utilise une solution ayant une concentration de 1,5 à 3% en poids de chitosane dans un mélange eau/alcool dans une proportion de 50/50 à 30/70 % en masse. Pour obtenir la viscosité adéquate avec de faibles concentrations en chitosane, il est préférable d'utiliser un chitosane de masse molaire élevée, par exemple dans la fourchette de masses molaires moyennes en masse M _w de 150 000 à 650 000 g/mol. La solution hydroalcoolique de chitosane a une viscosité apparente comprise entre 1000 et 2000 Pa.s, de préférence de l'ordre de 1500 Pa.s.

Par ailleurs, les meilleures propriétés mécaniques pour le fil sont obtenues en mettant en œuvre un chitosane dont le degré d'acétylation est faible, notamment inférieur à 40%, de préférence inférieur à 30%. Le degré d'acétylation (DA) est le pourcentage d'unités acétylées par rapport au nombre d'unités totales présentes sur la chaîne de chitosane, soit leur fraction molaire multipliée par 100. Il peut être déterminé par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier ou préférentiellement par spectrométrie RMN du proton ¹ H. La remarque ci-dessus ne se limite pas aux formes acétylées du chitosane ; elle concerne aussi toutes autres formes acylées de la fonction aminé primaire notamment éthyi-, propyl-, ou butyl-chitosane de faibie taux d'acylation, par exemple inférieur à 40%.

Dans un exemple précis de réalisation, la solution hydroalcoolique extrudable de chitosane a été obtenue en partant, comme matière première, d'un chitosane (Mahtani Chitosan), ayant un degré d'acétylation compris entre 1 et 3%, une masse molaire moyenne en masse élevée comprise entre 450.000 et 600.000 g/mol.

La solution hydroalcoolique, ayant une concentration initiale, avant dégazage, de 2,4% en poids de chitosane, une proportion eau/alcool de 40/60 % en masse, et une viscosité apparente, après dégazage, proche de 1500 Pa.s a été extrudée à travers une filière tubulaire à trou unique dont la section intérieure avait un diamètre de 0,8 mm. L'extrusion a été réalisée avec un débit compris entre 3 et 20 ml/h.

Comme illustré sur la figure, ia filière d'extrusion 3 a son extrémité aval 3a qui pénètre dans l'enceinte d'évaporation 4, laquelle est alimentée avec un flux d'air chaud dans des conditions de débit et de température permettant l'évaporation de l'eau préférentiellement à celle de l'alcool. Pour ce faire, l'installation comporte au moins des moyens de contrôle de la température du flux d'air chaud entrant dans l'enceinte 4 et de préférence également des moyens de contrôle de son débit. En évaporant l'eau, on modifie la composition du solvant du fil extrudé 10a. On influe notamment sur la valeur de la constante diélectrique du solvant et par conséquent, sur la balance des interactions hydrophiies/hydrophobes qui, lorsqu'elle atteint une valeur critique, conduit au phénomène de géiification, phénomène qui se traduit par une transition solution/gel progressive de la surface vers Ie cœur du fil. Ainsi, le fil extrudé 10a sortant de la filière 3 est gélifié, dans toute sa section ou au moins dans sa périphérie, lorsqu'il sort de l'enceinte d'évaporation 4. Le fil gélifié 10b obtenu, qui se présente sous la forme d'un gel principalement alcoolique de chitosane, possède déjà des propriétés mécaniques suffisantes pour être tracté vers les unités suivantes de l'installation 1. Le fi! gélifié 10 b pénètre dans l'unité de neutralisation 5 consistant en un bac rempli d'une solution aqueuse alcaline, notamment une solution d'ammoniaque, de soude ou de potasse.

Le passage du fil gélifié 10b dans cette solution alcaline entraîne la conversion des sites -NH ₃ ⁺ en -NH ₂ ce qui diminue les répulsions électrostatiques entre ies chaînes de polymère et favorise ainsi la formation de liaisons hydrogènes, d'interactions hydrophobes, ce qui conduit à la création de nœuds de réticulations physiques, et par la suite de cristallites.

Le fil gélifié et neutralisé 10c, en sortie de l'unité de neutralisation 5, passe ensuite dans l'unité de lavage 6 consistant en un bac rempli d'eau. Le but de ce lavage est d'éliminer l'excès de base et les sels formés, par exemple l'acétate d'ammonium, de sodium ou de potassium, selon la composition de la solution alcaline, éventuellement le chlorure de sodium dans le cas où la solution hydroalcoolique extrudable contient de l'acide chlorhydrique et ia neutralisation une solution de soude. Au cours de cette opération de lavage, les traces éventuelles d'alcool résiduelles sont définitivement éliminées.

Le fil gélifié neutralisé et lavé 1Od, obtenu en sortie d'unité de lavage 6, passe ensuite dans l'unité de séchage 8 consistant en une enceinte qui est traversée par un flux d'air chaud à une température de l'ordre de 100 à 110 ⁰ C. Le fil de chitosane 10e sortant du séchage est enroulé sous forme de bobine dans l'unité finale 9 de bobinage.

L'installation 1 représentée sur la figure comporte également des systèmes d'étirage : un disposé en sortie de filière après évaporation de l'eau, un autre entre l'unité de lavage 6 et l'unité de séchage 8, annoté 7 sur la figure. Ces systèmes d'étirage sont composés de deux cylindres, par exemple 7a et 7b, autour desquels le fil respectivement gélifié, neutralisé et lavé 1Od forme plusieurs spires, l'entraînement du cylindre aval 7b étant réalisé à une vitesse linéaire supérieure à celle du cylindre amont 7a. Le but de cet étirage est d'améliorer les caractéristiques mécaniques du fil 10. Plus généralement, cet étirage peut être mis en œuvre pendant et/ou après l'opération de coagulation, avant, pendant et/ou après l'opération de neutralisation, avant, pendant et/ou après l'opération de iavage, voire éventuellement pendant l'opération de séchage, à l'aide d'un seul ou de plusieurs systèmes d'étirage.

L'alcool qui était contenu dans le fil gélifié 10b, sortant de l'enceinte de coagulation 4, a été éliminé iors des opérations de neutralisation et de lavage, de sorte que le fil 10 obtenu ne comporte sensiblement plus d'alcool, ce qui influe notablement sur sa structure.

On sait que, comme de nombreux polymères naturels, Ie chitosane est un polymère semi-cristallin qui présente plusieurs formes cristallines dont les deux principales correspondent aux allomorphes hydraté et anhydre (Okuyama, K, et al structural diversity of chitosan and its complexes. Carbohydrate Polymers, 2000.41(3) :p.237-247). La forme hydratée est la forme polymorphe la plus courante du chitosane. La maille cristalline est dans ce cas stabilisée par la présence de molécules d'eau permettant la formation de ponts hydrogène. Il s'agit d'au minimum trois molécules d'eau pour huit unités glucosamine dans la maille. La forme anhydre du chitosane est en revanche moins abondante en raison de la grande affinité du polymère avec l'eau. Elie peut cependant être obtenue grâce à un recuit à une température de l'ordre de 240 ⁰ C, comme mentionné par Ogawa, K., effect of heating and aqueous suspension of chitosan on the crystallinity and polymorphs. Agricultural and biological chemistry, 1991. Vol 55 (N° 9) P.2375-2379.

Selon la présente invention, cette forme cristalline anhydre est obtenue dans des conditions particulières de mise en œuvre du matériau, permettant que la cristallinité se développe en milieu hydrophobe. A la différence de l'allomorphe hydraté, aucune molécule d'eau n'est présente au sein de la maille cristalline anhydre. La maille est alors plus compacte et les propriétés mécaniques sensiblement améliorées. De plus, cette forme se réhydrate moins facilement au simple contact de l'eau et conserve de bonnes propriétés mécaniques même en milieu aqueux.

Une étude morphologique par analyse de diffraction des rayons X (rayonnement synchrotron) a permis de mettre en évidence la génération de la forme cristalline anhydre, lors de la formation du fil de chitosane selon le procédé de la présente invention, tout particulièrement mais non exclusivement en faisant varier les conditions de neutralisation.

Ii ressort de cette étude, qu'avant neutralisation, la structure du fil gélifié 10b n'est pas très cristalline. Elle est faiblement orientée. Par contre, après neutralisation alcaline, les images WAXS (Wide Angle X-ray scattering) mettent en évidence des systèmes orientés cristallins, ce qui démontre l'importance de l'étape de neutralisation dans le développement de la cristallinité. De plus, les cristaux formés sont orientés dans une direction préférentielle, l'axe des chaînes macromoléculaires correspondant à l'axe du fil. Par ailleurs, l'analyse des anneaux de diffraction permet de constater que, suivant les conditions d'élaboration, on génère dans le fil des cristaux anhydres ou un mélange de cristaux anhydres et hydratés.

Quelques essais comparatifs ont été réalisés avec des fils A et B de chitosane obtenus, pour les premiers A, selon la technique de filage au mouillé mentionnée ci-dessus et, pour les seconds B, avec le procédé de la présente invention en partant de solutions de chitosane similaires, exception faite que, pour les premiers A, elle est strictement aqueuse alors que, pour les seconds B, elle est hydroalcoolique. Les essais comparatifs ont été réalisés, d'une part, avec les fils A et B à l'état sec et, d'autre part, après immersion dans l'eau déminéralisée pendant quinze heures. La figure Z illustre les résultats obtenus pour l'allongement à la rupture (pourcentage) et la contrainte à la rupture (MPa) pour deux types de fil A et deux types de fil B, l'un étant obtenu avec une opération de neutralisation dans une solution d'ammoniaque molaire et l'autre dans une solution de soude molaire. Il ressort en particulier que le fil B de chitosane 10 obtenu avec une neutralisation à l'ammoniaque ou la soude, après immersion dans l'eau déminéralisée pendant quinze heures, a une contrainte à la rupture d'au moins 150 MPA, ce qui est supérieur à celle obtenue avec Ie fil A.

Pour obtenir un fil 10 de chitosane, et plus généralement de polysaccharide, ayant un maximum de cristaux anhydres dans sa structure cristalline, il importe de contrôler l'opération d'évaporation de l'eau pour obtenir l'évaporation totale ou partielle de l'eau contenue dans le fil extrudé 10a, notamment dans l'exemple décrit il importe de contrôler ie débit et la température du flux d'air chaud en fonction des paramètres d'extrusion et de la composition de la solution hydroaicoolique.

L'élément longiforme obtenu grâce au procédé de l'invention, que ce soit un fil, mono- ou multi-fiiament, un film ou une plaque (ou toute autre forme...) peut être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres éléments. Par exemple le fil peut être assemblé à un ou plusieurs autres fils pour former, par moulinage ou guipage par exemple, un fil composite. Par exemple Ie film peut être assemblé à un ou plusieurs autres films, par exemple par enduction, collage ou thermocollage, pour former un film multicouche. Il en est de même pour la plaque ou autre forme.

L'élément longiforme obtenu grâce au procédé de l'invention est utilisable dans de nombreuses applications, partout où la mise en œuvre d'un polysaccharide est recherchée. Plus particulièrement, il est destiné à entrer dans la fabrication de matériaux destinés à une utilisation médicale, s'agissant notamment de matériaux textiles.

Particulièrement dans les applications médicales, les propriétés de bio-résorption de l'élément iongiforme de polysaccharide obtenu par le procédé de l'invention peuvent être recherchées. Il est à noter à cet égard que Ia présence de l'allomorphe anhydre permet d'en augmenter la durée de résorption in vivo. La formation contrôlée de cet allomorphe anhydre permet d'ajuster la durée de résorption souhaitable au cas par cas. Il est en de même lors de l'assemblage de l'élément longiforme de l'invention possédant cet allomorphe anhydre avec d'autres éléments, comme mentionné ci-dessus. De plus, s'agissant d'un élément de chitosane, il est aussi possible de faire varier le degré d'acétylation du chitosane utilisé pour former la solution hydroalcoolique pour ajuster la durée de résorption dudit élément.

La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été détaillés ci-dessus. En particulier, l'élimination de l'alcool contenu dans l'élément gélifié principalement alcoolique peut être obtenue par évaporation dudit alcool.