DOMAINE TECHNIQUE :

La présente invention appartient au domaine de la synthèse de polyaminoacides à partir de N-carboxyanhydrides d'aminoacides (ci-après dénommés

NCA).

Plus précisément encore, la présente invention concerne la polymérisation, en milieu liquide, des NCA par des initiateurs de polymérisation de type base forte.

TECHNIQUE ANTERIEURE :

Les polyaminoacides sont des polymères biocompatibles et biodégradables qui trouvent des applications dans le domaine biomédical. En particulier, ils peuvent constituer des biomatériaux, par exemple utiles pour servir de matières premières pour la fabrication de prothèses, d'implants, ou bien encore pour être mis en oeuvre comme supports permettant la libération de principes actifs. Des applications des polyaminoacides à titre de fils de suture résorbables, de substituts cutanés temporaires ou de fibres textiles ont également été décrites.

Pour pouvoir être exploitables dans ces diverses applications, il importe que les polyaminoacides puissent se présenter sous une forme liquide ou semi- liquide, manipulable dans le cadre d'opérations de formage d'articles finis, tels que la filmature, la filature, le moulage ... Cela sous-tend donc une maîtrise de la viscosité intrinsèque et/ou de la masse molaire en poids M _w du polyaminoacide synthétisé.

En plus de cela, et de façon antagoniste, il est souhaitable que ces polyaminoacides possèdent une masse molaire M _w supérieure à un seuil que l'on peut fixer, par exemple, à M _w = 50 000, en deçà duquel ils ne satisfont pas aux caractéristiques structurelles et mécaniques, attendues dans les applications envisagées.

L'ouvrage de H. R. KRICHELDORF, "α-aminoacid-N-carboxyanhydrides and related heterocycles" , SPRINGER. VERLAG (1987), enseigne que la polymérisation

des NCA est généralement effectuée en milieu liquide, à l'aide d'agents d'amorçage de polymérisation (dénommés également initiateurs) qui peuvent être des nucléophiles protiques, tels que l'eau, les aminés primaires et les aminés secondaires, ou des bases fortes, telles que les aminés ou les phosphines tertiaires ou les alcoolates. Outre ces bases fortes, le brevet anglais GB-996 760 propose des organométalliques, tels que des trialkyl-lithiums ou aluminiums en tant qu'initiateurs de polymérisation de NCA.

KRICHELDORF précise, (page 92), que la polymérisation des NCA, initiée par des nucléophiles protiques, ne donne pas lieu à des hauts poids moléculaires (DPn inférieur à 200), à la différence des initiateurs du type base forte qui donnent accès à des polymères de DPn supérieur à 200. Ces derniers étant précisément ceux qui s'avèrent être appropriés pour les applications des polyaminoacides, l'initiation de la polymérisation des NCA, par des bases fortes, a donc été la voie de synthèse élue par les hommes de l'art. Mais l'inconvénient de ce type d'initiateurs de polymérisation est, justement, qu'il favorise si bien la réaction que l'on ne contrôle plus le degré de polymérisation, ni la masse molaire M _w . On aboutit ainsi à des viscosités réduites extrêmement élevées pour les polyaminoacides. Cela est, bien entendu, pénalisant au regard des opérations de transformation de ces polymères en produits manufacturés.

Il s'ensuit que l'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé de synthèse de polyaminoacides à partir de NCA, en milieu liquide et en présence d'initiateurs de type base forte :

- qui permette d'obtenir des produits finis de masse molaire en poids M _w contrôlable et, avantageusement mais non limitativement, haute, i. e. de préférence supérieure ou égale à 50 000 et, plus préférentiellement encore, à 80 000,

- qui offre la possibilité de contrôle de la viscosité réduite de ces produits finis et, mieux encore, qui permette de cibler à l'avance une viscosité réduite donnée,

- et enfin qui soit de mise en oeuvre simple et économique. Ainsi, c'est après de nombreuses recherches et expériences que la

Demanderesse a eu le mérite de mettre en évidence que, pour atteindre cet objectif

parmi d'autres, il convient, contre toute attente, d'effectuer la polymérisation des NCA dans un milieu réactionnel liquide comprenant, en particulier, de l'eau et/ou un alcool.

Les résultats ainsi obtenus, quant à la maîtrise de la masse moléculaire des polyaminoacides obtenus, sont extrêmement surprenants. En effet, il était, jusqu'alors, parfaitement admis dans l'état de la technique que des réactifs, tels que l'eau et les alcools, pour autant qu'ils soient présents en quantités significatives, induisent une hydrolyse ou alcoolyse des NCA et, par conséquent, conduisent à des oligomères ou polymères de faible masse moléculaire : DP _R inférieur à 200, e. g (cf KRICHELDORF p 60 et BECKER et al. J. A. c s., 5 janvier 1953, p 737 à 744).

De surcroît, le brevet GB 996 760 enseigne que la mise en oeuvre de quantités infinitésimales d'eau, 10 ^'2 % en poids par rapport au solvant, provoque une augmentation de la viscosité réduite du polymère final : 3,5 à 4,32 (exemples 1-2).

EXPOSE DE L'INVENTION :

En dépit de cela, la présente invention concerne un procédé de préparation de polyaminoacides avec contrôle de leur poids moléculaire, par polymérisation de N-carboxyanhydrides (NCA) d'au moins un acide aminé, à l'aide d'au moins un initiateur du type base forte et en milieu liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à inclure, dans le milieu liquide réactionnel, des quantités données d'eau et/ou d'alcool.

Par cette disposition, on peut maîtriser la viscosité réduite des polymères et, par conséquent, leur masse molaire moyenne en poids (M„). S 'agissant de l'alcool, il est, de préférence, sélectionné parmi les monoalcools et/ou les dialcools, linéaires ou cycliques en ou parmi les alcools aromatiques et, plus préférentiellement, dans la liste suivante : méthanol, éthanol, propanol, butanol, hexanol, phénols, glycols, ces composés étant mis en oeuvre seuls ou en mélange entre eux. L'alcool utilisé comme moyen de réglage de la viscosité réduite, et donc de la masse moléculaire du polymère fini, peut être employé à raison de 0 à 3 000 %

molaire, de préférence de 10 à 1 000 % molaire et, plus préférentiellement encore, de 10 à 500 % molaire par rapport aux NCA.

L'eau peut, quant à elle, être employée à raison de 0, 1 à 50 % en poids par rapport au reste du milieu liquide, de préférence à raison de 0,5 à 10 % en poids et, plus préférentiellement encore, de 1 à 5 % en poids.

Un avantage subsidiaire, lié à l'utilisation d'eau et/ou d'alcool, est l'accélération de la vitesse de polymérisation.

Selon une modalité intéressante de l'invention, le milieu liquide comprend un cosolvant organique. Ainsi, il est possible, conformément à l'invention, d'établir, pour un ou plusieurs monomères NCA correspondant à des acides aminés différents, une courbe de variation de viscosité réduite du polymère ou du copolymère, en fonction de la concentration d'eau et/ou d'alcool du milieu réactionnel. Avantageusement, cette courbe peut être utilisée pour déterminer la quantité d'eau et/ou d'alcool, à introduire dans le milieu réactionnel pour obtenir un polymère ou copolymère de viscosité donnée. Cela permet de mettre en adéquation les caractéristiques physiques de la matière première que constituent les polyaminoacides, avec les diverses opérations de transformation et de mise en forme propres à une application finale déterminée (fil, film, matrice ...). Par ailleurs, il est à souligner que l'utilisation de coréactifs, comme l'eau et/ou l'alcool, est synonyme de commodité de mise en oeuvre et d'économie.

Les produits de départ du procédé selon l'invention sont des N- carboxyanhydrides d'aminoacides de configuration L, D ou racémique L + D. Il peut s'agir d'un mélange de différents énantiomères et/ou de racémiques. Il est possible de mettre en oeuvre un seul type de monomères constitué par un NCA d'un aminoacide donné ou bien encore différents monomères constitués par des NCA d'aminoacides distincts, de façon à former un copolymère.

Les NCA d'aminoacides peuvent être préparés par toute technique connue et appropriée, comme par exemple celle décrite par w. H. DALY et al., Tetrahedron Letters, vol. 29, n° 6, p 5859, (1988).

Les précurseurs de ces NCA peuvent être choisis parmi les aminoacides

suivants, seuls ou en mélange : à partir de glycine, alanine, phénylalanine, leucine, isoleucine, valine, acide α-aminoisobutyrique, acide aspartique, acide glutamique, acide α-aminoadipique, ornithine, lysine, arginine, cystine, méthionine, thréonine, serine, tyrosine. Avantageusement, la concentration du monomère NCA dans le milieu réactionnel est comprise entre 1 et 40 % en poids par rapport au solvant organique et, de préférence, entre 2 et 20 % en poids et, plus préférentiellement encore, entre 4 et 15 % en poids.

Selon une disposition intéressante de l'invention, l'initiateur est choisi parmi les aminés et/ou les phosphines tertiaires.

Parmi les agents d'amorçage de polymérisation caractéristiques de l'invention, on peut citer, par exemple, la triéthylamine, la triméthylamine, la tri-N ou isopropylamine, la tributylamine, la tricyclohexylamine, le 4,4',4"-tris- diméthylamino-triphénylméthane, des phosphines tertiaires : triphénylphosphine, triméthylphosphine, diméthylphénylphosphine, tributylphosphine, triisopropylphosphine, tricyclohexylphosphine, diphénylméthylphosphine.

Conformément à une disposition préférée de l'invention, on emploie la triéthylamine à titre d'initiateur.

Sur le plan pondéral, l'initiateur représente une quantité molaire comprise entre 0,001 et 1, de préférence entre 0,005 et 0,1 molaire par rapport au NCA.

Selon l'invention, la polymérisation s'opère en milieu liquide, ce qui, en d'autres termes, signifie qu'elle peut être conduite en solution ou en suspension. Dans le cas d'une polymérisation en solution, le (ou les) cosolvant(s) organique(s) mis en oeuvre est(sont) choisi(s) parmi les classes chimiques suivantes : éthers cycliques ou linéaires, nitriles, halogènes aliphatiques, aromatiques, aromatiques halogènes, dérivés nitrés, esters, cétones, amides, sulfones, sulfoxydes, ou leurs mélanges.

Pour une polymérisation en suspension, le cosolvant organique est choisi parmi les alcanes : pentane, hexane, octane, décane par exemple, les fluoroalcanes ou leurs mélanges.

A titre d'hydrocarbures aliphatiques halogènes on peut citer, par exemple,

le chloroforme, le dichlorométhane, le 1,2-dichlorométhane, le 1,1-dichloroéthane, le 1,2-dichloroéthylène, le 1,1,1-trichloro-éthane, le 1,1,2-trichloroéthane, le trichloroéthylène, le tétrachloroéthylène, le 1,1,2,2-tétrachloroéthane, le 1,1, 1,2- tétrachloroéthane, le pentachloroéthane, le 1,2-dichloropropane, le 2,2- dichloropropane, le 1,3-dichloropropane, le 1,2,3-dichloropropane, le dichloroométhane, le l-bromo-3-chloropropane, le bromure d'isobutylène, le bromoforme.

Les éthers cycliques peuvent être e. g. le dioxane, le tétrahydrofurane.

L'acétonitrile est un exemple de nitrile, le toluène et le xylène des exemples d'aromatique, le nitrométhane un exemple de dérivé nitré et l'acétate de méthyle un exemple d'ester.

Le diméthylformamide (DMF) et le diméthylsulfoxyde (DMSO) sont, respectivement, des exemples d'amide et de sulfoxyde pouvant être mise en oeuvre. A titre d'exemple de sulfone, on peut citer le sulfolane. II convient de noter que le dioxane fait partie des solvants organiques particulièrement préférés.

En pratique, cette réaction de polymérisation se déroule à la pression atmosphérique normale, à l'atmosphère ambiante et avec une température de milieu réactionnel comprise entre - 20° C et + 150° C, de préférence entre + 10 et + 90° C.

Ce procédé donne accès à des polyaminoacides (polymères, copolymères) dont les masses molaires et la viscosité réduite sont contrôlables. Cette maîtrise est atteinte sans que cela ne nuise à la facilité de mise en oeuvre ni à l'économie du procédé.

POSSIBILITE D'APPLICATION INDUSTRIELLE :

Synthèse de polyaminoacides de caractéristiques mécaniques et rhéologiques adaptées à des applications en tant que biomatériaux.

L'invention sera mieux comprise et ses avantages et variantes de mise en

oeuvre ressortiront bien des exemples qui suivent, d'illustration de la polymérisation de NCA d'aminoacides dérivant du glutamate de méthyle et/ou de la leucine. Les figures annexées faciliteront la compréhension des exemples.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS :

- La fîg. 1 montre la variation de la viscosité réduite du polymère en fonction de l'eau ajoutée en milieu de polymérisation.

- La fig. 2 représente une variation de la constante de vitesse k de la réaction de polymérisation, en fonction de la quantité d'eau dans le milieu réactionnel, dans la polymérisation selon l'exemple 1.

- La fig. 3 illustre la décroissance de la viscosité du copolymère en fonction de la quantité d'eau rajoutée au milieu réactionnel.

- La fîg. 4 représente le profil cinétique de disparition des NCA, suivi par infra- rouge, dans la polymérisation selon l'exemple 4.

MEILLEURES MANIERES DE REALISER L'INVENTION :

EXEMPLES

La viscosité réduite, qui est une méthode classique de caractérisation des polyaminoacides, est mesurée à partir d'une solution dans l'acide trifluoroacétique (TFA) à la concentration C de 0,5 g/1. On utilise un tube Ubbelohde, réf. 51003/0c, placé dans un bain thermostaté à 25° C. Soit to le temps d'écoulement du TFA pur et t le temps d'écoulement de la solution de polymère, la viscosité réduite est exprimée de la façon suivante :

₌ (t - g ^ηred (t x o

La viscosité réduite est le reflet de la masse molaire en poids M _w des polyaminoacides, comme le montre l'exemple 4 ci-après.

EXEMPLE 1 :

1.1 PRÉPARATION DU NCA-Glu(OMe) = N-carboxyanhydride de glutamate de méthyle. Dans un réacteur de 0,5 1, muni d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée et d'une agitation magnétique, on charge 32,5 g de glutamate de méthyle et 250 ml de tétrahydrofurane (THF). On introduit dans l'ampoule de coulée une solution de bis-trichlorométhylcarbonate (25 g) dans 38 ml de THF. Le réacteur est placé dans un bain d'huile à la température de 52° C et mis sous balayage d'azote. Dès que la température de la masse reactionnelle atteint

50° C, l'addition de la solution de triphosgène débute. La durée de la coulée est de 20 min. Le milieu réactionnel est agité pendant 25 min supplémentaires, puis filtré pour éliminer les insolubles. Le filtrat est concentré, puis additionné de 300 ml de cyclohexane et refroidi pendant 15 h à - 28° C. Le précipité blanc est filtré. On obtient 30,7 g de NCA-glutamate de méthyle brut. Le produit est recristallisé dans un mélange dichlorométhane/cyclohexane pour donner 28 g de NCA-glutamate de méthyle pur.

Point de fusion = 96,7° C ; enthalpie de fusion = 138,9 j/g ; teneur en chlorures = 0, 16 %.

1.2 POLYMÉRISATION DU NCA-Glu(OMe) :

Dans un réacteur de 250 ml, préalablement purgé à l'azote, on introduit 5 g de NCA-Glu(OMe) et le dioxane, fraîchement distillé sur sodium (75 ml). Le réacteur de polymérisation est placé dans un bain d'huile maintenu à 40° C et le milieu réactionnel agité à 65 tr/min (la température du milieu réactionnel est de 38° C). Après 10 min, on ajoute 0,029 g de triéthylamine. Après 20 h de réaction, le mélange visqueux est dilué avec 75 ml de dioxane. Le poly- Glu(OMe) est isolé par précipitation dans 21 d'eau déminéralisée à température ambiante et lavé deux fois avec 500 ml d'eau avant d'être séché en présence d'anhydride phosphorique et sous vide de la trompe à eau jusqu'à poids constant. On obtient 3,63 g de copolymère Leu-Glu(OMe), soit un rendement

de 95 %. La viscosité réduite du copolymère, mesurée dans l'acide trifluoroacétique, est de 3,54 dl/g.

1.3 INFLUENCE DE L'EAU SUR LA VISCOSITÉ DU POLYGLUTAMATE DE MÉTHYLE :

La quantité d'eau, présente dans le milieu réactionnel, a été étudiée dans le domaine 2 %-10 % d'eau par rapport au dioxane (ratio pondéral). Le tableau 1 résume les caractéristiques des polymères obtenus en ajoutant des quantités croissantes d'eau dans le milieu réactionnel.

TABLEAU 1 : INFLUENCE DE LA QUANTITÉ D'EAU SUR LES CARACTÉRISTIQUES DU POLY-GLU(OME)

EAU/DIOXANE RENDEMENT (% poids) (%) (dl/g)

2,6 > 93 2,42

5,1 > 93 1,95

10,4 > 93 1,48

La fîg. 1 annexée montre la variation de la viscosité réduite du polymère en fonction de l'eau rajoutée au milieu de polymérisation. La fig. 2 annexée représente la variation de la constante de vitesse k de la réaction de polymérisation, en fonction de la quantité d'eau dans le milieu réactionnel. Elle témoigne de l'effet bénéfique de l'eau sur la cinétique de polymérisation du NCA-Glu(OMe).

EXEMPLE 2 :

2.1 PRÉPARATION DU NCA-Leu.

Dans un réacteur de 0,5 1, muni d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée et d'une agitation magnétique, on charge 26,5 g de leucine et 250 ml de

tétrahydrofurane (THF). On introduit dans l'ampoule de coulée une solution de 25 g de bis-trichlorométhylcarbonate (triphosgène) dans 38 ml de THF. Le réacteur est placé dans un bain d'huile à la température de 52° C et mis sous balayage d'azote. Dès que la température de la masse reactionnelle atteint 50° C, l'addition de la solution de triphosgène débute. La durée de la coulée est de 15. min. Le milieu réactionnel est agité pendant 30 min supplémentaires, puis filtré pour éliminer les insolubles. Le filtrat est concentré, additionné de 300 ml de cyclohexane et refroidi pendant 15 h à - 28° C. Le précipité blanc est filtré. On obtient 24,5 g de NCA-leucine brut. Le produit est recristallisé dans un mélange chloroforme/cyclohexane pour donner 20 g de NCA-Leu pur.

Point de fusion = 76,9° C ; enthalpie de fusion = 99,8 j/g ; teneur en chlorures = 0,12 %.

2.2 POLYMÉRISATION DU MÉLANGE NCA-Glu(OMe)/NCA-Leu : Dans un réacteur de 250 ml, préalablement purgé à l'azote, on introduit, successivement, le mélange NCA-Glu(OMe) et NCA-Leu (5 g à 47 % molaire de NCA-Leu) et le dioxane distillé (75 ml). Le réacteur de polymérisation est placé dans un bain d'huile maintenu à 40° C et le mileu réactionnel agité à 65 tr/min (la température du milieu réactionnel est de 38° C). Après 10 min, la triéthylamine (0,029 g) est ajoutée rapidement. Après 5 h de réaction, le mélange visqueux est dilué avec 75 ml de dioxane et l'agitation augmentée à 150 tr/min, de manière à solubiliser rapidement le polymère. Le copolymère Leu/Glu(OMe) est isolé par précipitation dans 2 1 d'eau déminéralisée à température ambiante et lavé deux fois avec 500 ml d'eau, avant d'être séché sous vide en présence d'anhydride phosphorique. On obtient ainsi 3,53 g de copolymère Leu-Glu(OMe), soit un rendement de 95 %. La viscosité réduite du copolymère, mesurée dans l'acide trifluoroacétique, est de 3,7 dl/g.

2.3 INFLUENCE DE L'EAU SUR LA VISCOSITÉ DU COPOLYMÈRE Leu/Glu(OMe) : La quantité d'eau, présente dans le milieu réactionnel, a été étudiée entre

0, 1 % et 10 % en poids par rapport au dioxane. Le tableau 2 résume les

caractéristiques du copolymère en ajoutant des quantités croissantes d'eau dans le milieu réactionnel.

TABLEAU 2 : INFLUENCE DE LA QUANTITÉ D'EAU SUR LES CARACTÉRISTIQUES DU COPOLYMÈRE Leu/GIu(OMe)

EAU/DIOXANE RENDEMENT COMPOSITION 1-κt. (%poids) (%) (f Leu) (dl/g)

0,1 > 93 47 3,62

1 > 93 49 3,08

5 > 93 48 1,94

10 > 93 47 1,56

La fig. 3 annexée illustre la décroissance de la viscosité du copolymère en fonction de la quantité d'eau rajoutée au milieu réactionnel.

2.4 INFLUENCE DE L'ALCOOL SUR LA VISCOSITÉ RÉDUITE (MASSE MOLÉCULAIRE)

DU POLYMÈRE LEU/GLU (OME) :

L'objectif de cette série de copolymères, composée de quatre produits, est de faire varier la viscosité réduite des copolymères et de maintenir leur composition constante. Les proportions en monomères retenues sont 53 % en

GluOMe et 47 % en Leucine.

Le solvant polaire mis en oeuvre est l'éthanol absolu.

La quantité d'éthanol absolu a varié entre 21 et 458 % molaire par rapport aux NCA (soit 0,5 et 8,5 % en poids/dioxane), les proportions en monomères introduites sont restées constantes.

Les résultats sont consignés dans le tableau 3 qui suit.

TABLEAU 3

EtOH absolu/NCA EtOH/dioxane Rendement (% molaire) (% poids) (%) (dl/g)

458 8,5 92 1,75

275 4,9 94 2,1

92 1,6 93 2,5

31 0,5 92 3,1

CONDITIONS EXPÉRIMENTALES :

- % molaire Leu/Glu(OMe) = 47/53,

- NCA [Leu + Glu(OMe)] = 20 g (0,1123 moles),

- Dioxanne + EtOH absolu = 300 ml,

- NEt ₃ ≈ 0,125 g (1 % molaire/NCA),

- T = 40° C,

- agitation = 80 tours/minute.

EXEMPLE 3 : INFLUENCE DE L'INITIATEUR.

3.1 POLYMÉRISATION DU MÉLANGE NCA-Leu/NCA-Glu(OMe) AVEC L'EAU :

L'exemple 2 a été reproduit en omettant la triéthylamine et en ajoutant une quantité d'eau égale à 10 % en poids du dioxane. Le profil cinétique de disparition des NCA, suivi par infra-rouge indique que la polymérisation est terminée en 8 h (cf. fig. 4 annexée). Le milieu réactionnel est alors traité de la même façon que dans le cas d'une polymérisation classique. On récupère un solide blanc (rendement pondéral = 97 %), dont le spectre RMN 'H est identique à celui d'un copolymère Leu-Glu(OMe). La viscosité réduite de ce produit dans l'acide trifluoroacétique est très faible : _n i ⁼ 0,48 dl/g. Cet essai comparatif montre que l'eau, utilisée seule sans initiateur, conduit à la formation d'un copolymère de faible masse molaire.

EXEMPLE 4 : CORRESPONDANCE MASSE MOLAIRE EN POIDS M _W ET VISCOSITÉ

RÉDUITE η^.

Trois échantillons (1 à 3) de différents copolymères Leucine/Glutamate de méthyle (Leu/Glu(OMe) «* 47/53 molaire) ont été préparés selon le protocole de l'exemple 2. Leurs masses molaires en poids M,,, ont été déterminées par diffusion de la lumière. Leurs viscosités réduites ont, quant à elles, été mesurées comme indiqué ci-avant. Le tableau 4 de résultats ci-dessous montre clairement que M, et η^ varient dans le même sens. Il y a donc une corrélation directe en ces deux grandeurs.

TABLEAU 4

ECHANTILLONS M _w ttά

1 325 000 1,8

2 290 000 1,6

3 100 000 1,1