Contrôle de la morphologie d'hydrogels poreux à partir de structures polymères

Ce projet de maîtrise présente une nouvelle méthode de fabrication permettant l'obtention de gels comportant des réseaux poreux interconnectés à partir de structures polymères co-continues. Les contributions originales sont : (1) le développement d'un procédé de préparation de gels poreux permettant un contrôle étendu des diamètres de pores moyens, de leur fraction volumique et de leur interconnectivité par l'utilisation des mélanges de polymères co-continus; (2) la caractérisation microstructurale de ces hydrogels avec des techniques récentes telle que la microtomographie à rayons X; (3) la réalisation de ces échantillons à grande échelle par l'utilisation d'équipements industriels. Les polymères et les hydrogels poreux suscitent, depuis une vingtaine d'années, un grand intérêt dans de nombreux domaines : les systèmes de filtrations hautes performances, les supports catalytiques pour réactions biochimiques, les capsules contrôlant la libération de médicaments ou encore les matrices pour la culture cellulaire. Dans ce dernier cas, appartenant au domaine de l'ingénierie tissulaire, un contrôle rigoureux des paramètres de porosité est exigé sur plusieurs points : (1) la taille de pore moyenne; (2) leur fraction volumique; (3) leurs interconnectivité. Les hydrogels poreux sont d'excellents candidats pour ces applications en raison de leurs ressemblances avec les matrices extracellulaires (composition, propriétés mécaniques et propriétés de diffusion). De nombreuses techniques ont été élaborées et étudiées pour réaliser ces structures 3-D comportant une microstructure des pores plus ou moins interconnectés. Malgré les progrès des dernières années, ces méthodes présentent encore de nombreuses lacunes au niveau du contrôle de la microstructure des pores, de la diversité des familles de gels applicables et de la mise à l'échelle du procédé pour une application industrielle rentable. Ce projet propose une nouvelle méthode, basée sur les mélanges de polymères, permettant de pallier à ces problèmes ainsi que diverses méthodes de caractérisation associées en vue d'applications dans le domaine de l'ingénierie tissulaire. Des structures poreuses de poly(L-lactide) (PLA) ont été réalisées à partir d'un mélange binaire non miscible et co-continu de polystyrène/ poly(L-lactide) (PS/PLA) 50/50 %vol préparé par différentes méthodes: (1) mélangeur interne (échantillons cubiques de 0.8 mm de côté) et (2) extrusion jumelée au moulage par injection qui ont permis la fabrication de barreaux de dimensions supérieures (0.95 cm × 1.25 cm × 6.3 cm). Par la suite, différents temps de recuits statiques ont été appliqués sur ces mélanges binaires PS/PLA à 190 °C afin de faire varier les dimensions caractéristiques de la morphologie co-continue : (1) 0, 10, 30, 60 et 90 min pour les échantillons cubiques et (2) 0, 10, 20 et 30 min pour les barreaux. La phase PLA a ensuite été isolée grâce à l'extraction sélective par solvant de la phase de PS pour former une structure PLA poreuse. Des analyses gravimétriques ont permis de démontrer une co-continuité des phases supérieure à 95% pour les structures cubiques et supérieure à 85% pour les barreaux. La morphologie co-continue des matériaux PLA poreux a été caractérisée par des observations au microscope électronique à balayage (MEB) pour les cubes de chaque recuit. Des méthodes récentes par analyse d'images, à partir des micrographies MEB, ont démontrées des diamètres de pore moyens variant de 3 µm à plus de 400 µm et des aires interfaciales spécifiques allant de 5800 cm-1 à 45 cm-1 (pour des recuits de 0 min à 90 min). En parallèle, les porosités des barreaux ont été analysées qualitativement par microtomographie à rayons X et il a été déduit que leur taille moyenne des pores variait de 10 µm à environ 500 µm (pour des recuits allant de 10 min à 30 min). Des solutions d'agar ou d'alginate ont été par la suite injectées dans les structures de PLA poreuses à l'aide d'un système à pistons manuel, suivi d'une gélification in situ. Des observations à l'œil nu et au microscope optique du centre des échantillons ont montrées des injections complètes dans les porosités supérieures à 20 µm pour les échantillons cubiques et environ 300 µm pour les barreaux. Ces observations sont également appuyées par la caractérisation de la morphologie des gels. Les phases polymères (PLA) ont ensuite été dissoutes grâce à une seconde extraction par solvant pour ne laisser que les structures gélifiées. Les analyses par microtomographie à rayons X de ces gels ont permis la construction d'images 2-D et 3-D démontrant une morphologie fidèle à celle imposée par le moule. Pour les gels préparés avec des échantillons cubiques (recuit du moule PLA de 60 min), une taille de pore moyenne d'environ 285 µm est obtenue, comparativement à 200 µm pour le moule, ainsi qu'une aire interfaciale spécifique de 70 cm-1, comparativement à 100 cm-1 pour le moule PLA. Pour des gels préparés avec les barreaux de PLA (recuit de 30 min) la porosité moyenne est du même ordre de grandeur que celle du moule (analyse qualitative). L'efficacité de deux méthodes de stérilisation a été prouvée sur des géloses nutritives (GN) et gélose cœur cerveau (GCC) puisqu'aucune colonie bactérienne n'est apparue. La première méthode est la lyophilisation suivie d'un étuvage à 120 °C dans un environnement stérile. La morphologie des gels a été étudiée par microtomographie avant lyophilisation, après lyophilisation, puis finalement - après réhydratation et démontre la conservation des dimensions macroscopiques, de la morphologie et de la porosité des gels sur un même ordre de grandeur. La seconde méthode concernait l'utilisation de bains successifs dans une solution d'éthanol. Finalement, des essais en compression (DMA) ont démontrés que les propriétés mécaniques en compression des hydrogels poreux sont plus faibles que celles des hydrogels sans porosité.

Abstract

This master thesis presents a new fabrication method to prepare hydrogels with fully interconnected and tunable macropore networks prepared with co-continuous polymer blends. The main contributions are: (1) a hydrogel fabrication process providing a high control over the average pore size diameter, their volume fraction and their interconnectivity; (2) the microstructural characterization of porous hydrogels with new techniques such as X-ray microtomography and (3) the preparation of porous gels with industrial equipment such as extruders and injection molding presses. The development and improvement of methods and techniques to prepare porous polymers and porous gels have been intensive areas of research in materials science over the past 20 years because of their potential use in fields as diverse as high performance membranes and filtration devices, supports for catalysis and biochemical reactions, encapsulating devices for drug release, and scaffolds for cells seeding and proliferation. For this last application, in tissue engineering, some typical parameters related to porosity must be rigorously controlled: (1) the average pore size diameter; (2) the pore volume fraction; (3) the pore interconnectivity. Porous hydrogels are excellent candidates due to their similarities with the extracellular matrix (composition, mechanical properties and diffusion properties). A certain number of methods and techniques have been developed and studied to prepare gels comprising microstructured 3-D networks of (more or less) interconnected pores (also called sometimes microfluidic gels or (macro)porous gels). Even though there has been progress in the recent years, many of these techniques suffer either from limited control over the final pore network microstructure, are limited in terms of usable gel chemistries and are difficult to scale-up into a profitable industrial process. This project proposes a new method, based on polymer blend technology, to overcome these problems. It also presents a characterization methodology related to potential applications in the field of tissue engineering. Poly(L-lactide) (PLA) porous materials were realized from immiscible and co-continuous binary blends of polystyrene/poly(L-lactide) (PS/PLA) at 50/50 %vol prepared by different methods : (1) internal mixer (cubic samples with 0.8 mm sides) and (2) extrusion followed by injection molding which allows the fabrication of bars with superior dimensions (0.95 cm × 1.25 cm × 6.3 cm). Quiescent annealing of the binary blends was performed at 190 °C to tune the characteristic dimensions of the co-continuous morphology: (1) 0, 10, 30, 60 and 90 min for cubic samples and (2) 0, 10, 20 and 30 min for bars. Afterwards, the PLA phase has been isolated by a specific solvent extraction of the PS phase to obtain porous PLA molds. Gravimetric analysis have demonstrated a co-continuity superior to 95% for cubic samples and superior to 85% for the bars. This morphology was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) for each annealing time (for the cubic samples). Image analysis performed on the SEM micrographs have demonstrated that the average pore diameter can range from 3 µm to over 400 µm and that the specific interfacial area ranges from 5800 cm-1 to 45 cm-1, for annealing times going from 0 min to 90 min). The porosity of the bars was observed by X-ray microtomography and shows that the average pore diameter ranges from 10 µm to 500 µm (annealing from 10 min to 30 min). Solutions of agar or alginate were subsequently injected into the PLA porous molds by using a manual injection system, followed by an in situ gelification. Visual inspections and optical microscope observations show a complete injection for molds with average pore sizes over 20 µm (cubic samples) and over 300 µm (for bars). These assumptions are also supported by the gels morphology characterization. The second polymer phase (PLA) was subsequently dissolved using a second selective solvent, leaving only the porous gel structures. X-ray microtomography analysis, which provide 2-D and 3-D images, have demonstrated that the morphologies of the porous gels are similar to the PLA molds microstructures. For example, porous gels prepared with cubic PLA molds annealed during 60 min, show an average pore size of about 285 µm (as compared to 200 µm for the PLA molds) and a specific interfacial area of 70 cm-1 (as compared to 100 cm-1 for the PLA molds). Similar results were obtained for the porous gels prepared with the porous PLA bars (qualitative observation). The effectiveness of two sterilization methods has been proven on nutrient agar (NA) and "Brain Heart Infusion" (BHI) with no bacterial colonies apparition. The first method is the freeze-drying followed by an oven treatment at 120 °C in a sterile environment. The porous gel morphology was characterized by X-ray microtomography before and after freeze-drying, and after rehydration, demonstrating the conservation of the macroscopic dimensions of the gels, of their morphologies and porosities. The second method is the successive baths in an ethanol solution. Finally mechanical compression tests have shown that porous gels, as can be expected, have a lower compressive resistance as compared to non-porous hydrogels.