La stabilisation des émulsions peut être assurée par des particules solides plutôt qu'avec des molécules d'émulsifiant. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont aussi appelées “les émulsions de Pickering”. Ce travail est divisé en deux parties : <br />1) l'étude des aspects physico-chimiques des émulsions ; 2) l'évaluation des émulsions stabilisées par des solides pour l'application cutanée. <br />Les émulsions ont été stabilisées avec des nanoparticules de silice de caractère hydrophobe varié. Les émulsions huile-dans-eau obtenues avec de la silice partiellement hydrophobe ont été caractérisées en termes de stabilité, rhéologie et de quantité optimale de particules nécessaires pour la stabilisation. Les particules de silice hydrophile stabilisent les émulsions H/E avec des huiles très polaires. Le rôle de l'agrégation des particules en présence d'huile et d'électrolyte dans la stabilisation des émulsions a été souligné. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'absorption de principes actifs dans la peau, à partir des émulsions de Pickering, et nous avons comparé les résultats avec les émulsions classiques stabilisées par les tensioactifs. Les émulsions H/E et E/H avec des principes actifs modèles (rétinol comme molécule lipophile et caféine comme molécule hydrophile) ont été étudiées en terme d'absorption dans la peau. L'absorption des principes actifs a été significativement différente pour les émulsions stabilisées par des particules solides et pour les émulsions stabilisées par des molécules de tensioactif. Les émulsions de Pickering constituent une nouvelle formulation pour l'application cutanée.

La stabilisation dite de Pickering repose sur l'utilisation de particules solides au lieu des émulsifiants. Leur forte adsorption aux interfaces confère à celles-ci une rigidité les protégeant de la coalescence. Ce travail se partage en quatre grandes parties. Un premier volet traite de la fabrication de ces particules et de leur caractérisation physico-chimique. Une deuxième partie traite de la formulation d'émulsions H/E selon deux procédés différents et leur caractérisation. La troisième partie avait pour but l'investigation du comportement de ces particules à l'interface H/E par diffusion de neutrons. La dernière partie traite de l'évaluation de ces émulsions pour l'application cutanée. Ce travail a pour objectif de formuler des émulsions de Pickering en utilisant des particules polymériques biodégradables. Des particules individualisées formées à partir de copolymères di-blocs du type : PCL-b-PEG et PLA-b-PEG, ont été fabriquées selon un procédé de nanoprécipitation innovant. Elles ont été caractérisées en termes de taille et de stabilité. Leur structure interne a également été investiguée par RMN et cryo-MET. Leur aptitude à stabiliser des émulsions H/E très concentrées a été démontrée. L'impact du procédé d'emulsification sur les propriétés finales a été souligné et l'adsorption de particules en forme de chapelets serrés à l'interface a été visualisée par diffusion de neutrons et microscopie électronique après cryofracture. L'absorption du rétinol dans la peau à partir de ces émulsions innovantes, a montré une accumulation accrue de cet actif dans le stratum corneum comparée à celle d'une émulsion stabilisée par des tensioactifs classiques. Cette absorption cutanée a été montrée dépendre du procédé de fabrication des émulsions. Les particules en suspension aqueuse ont aussi été testées pour l'encapsulation et la libération cutanée du rétinol. Les résultats ont montré l'influence de la constitution interne des particules (PCL ou PLA) sur l'absorption du rétinol dans la peau. L'utilisation de polymères biodégradables apporte de nouvelles perspectives dans la formulation des émulsions de Pickering à usage cosmétique ou pharmaceutique, en s'affranchissant des effets jugées hasardeux pour la santé humaine des particules inorganiques / The so-called Pickering stabilization is based on the use of solid particles instead of emulsifiers. Their strong adsorption at interfaces confers rigidity preventing them from coalescence. This work is divided into four main parts. The first part deals with the manufacture of these particles and their physicochemical characterization. A second part deals with the O/W emulsions formulation according to two different methods and their characterization. The third part is an investigation into the behavior of these particles at the O/W interface by small angle neutron scattering. The last part deals with the evaluation of these emulsions for their application to skin delivery. This work aims at the preparation of Pickering emulsions using biodegradable polymeric particles. Individual particles formed from diblock copolymers such as: PCL-b-PEG and PLA-b-PEG, were made by an innovative nanoprecipitation process. They were characterized in terms of their size and stability. Their internal structure was also investigated by NMR and cryo-TEM. Their ability to stabilize highly concentrated O/W emulsions has been demonstrated. The impact of the emulsification process on the final properties was emphasized and the adsorption of particles as tight necklaces at the interface was visualized by neutron scattering and freeze-fracture electron microscopy. The skin absorption of retinol from these innovative emulsions showed enhanced accumulation of the asset in the stratum corneum compared to conventional surfactant-stabilized emulsions. Such skin absorption of retinol was shown to depend on the manufacturing method of the emulsions. Particles in aqueous suspension were also tested for encapsulation and delivery of retinol in skin. The results showed the influence of the internal structure of the particles (PCL or PLA) on the absorption of retinol in the skin. The use of biodegradable polymers brings new perspectives in the formulation of Pickering emulsions for cosmetic or pharmaceutical use, while avoiding the effects of inorganic particles considered hazardous to human health

La conception de nanoparticules (NPs) polymériques pour le transport de médicaments dans la peau repose sur la compréhension du rôle de leurs compositions chimiques sur leurs interactions avec la peau, notamment la peau pathologique. Ce travail s'est attaché à définir le rôle de la composante hydrophile des NPs sur l'administration cutanée d'un principe actif lipophile modèle (cholécalciférol). Il a été remarqué que la composition hydrophile de polymères amphiphiles à base de PLA conditionnait les propriétés physicochimiques des NPs, notamment la taille, la surface, et la structure, tout comme la protection du cholécalciférol. Concernant l'absorption cutanée sur peau intacte, la composante hydrophile de NPs de 100 nm a eu peu d'influence. Une absorption cutanée du cholécalciférol légèrement plus importante a toutefois été obtenue à partir des NPs très riches en PEG hydrophile en comparaison aux NPs peu PEGylées. A l'inverse sur peau lésée, les NPs hydrophobes et négativement chargées de PLA seul ont permis la meilleure absorption du cholécalciférol. D'une part, la dynamique de la structure des NPs très PEGylées a permis une meilleure mouillabilité de la peau et une possible extraction de lipides cutanés, pouvant faciliter l'absorption sur peau intacte. D'autre part, la composition de la peau a conditionné la structure des NPs, puisque, sur peau lésée, les espèces ioniques libérées de la peau ont déstabilisé les NPs peu ou non PEGylées. Par adhésion à la surface de la peau, les agrégats de PLA ont pu ainsi faciliter l'absorption sur peau lésée.Lors du développement de formulations de NPs, leur composition chimique est donc à optimiser selon l'état pathologique de la peau / The design of clinically efficient polymeric nanoparticles (NPs) for skin drug delivery is based on the understanding of the influence of NPs chemical composition on their interactions with the skin tissue, notably the pathological skin. The aim of this work was to determine the influence of the hydrophilic component of polymeric NPs on the delivery of a lipophilic model drug (cholecalciferol).It was noticed that the polymeric hydrophilic composition of amphiphilic PLA-based NPs conditioned the NPs physico-chemical properties, notably in terms of size, surface properties, structure and drug protection. With regard to absorption into intact skin, the hydrophilic composition of 100 nm NPs had little impact. Only a slightly greater skin absorption was obtained from NPs with high hydrophilic PEG content compared to weakly PEGylated NPs. On the contrary in impaired skin, hydrophobic and negatively charged non-PEGylated NPs (PLA NPs) provided the best drug absorption. On the one hand, the dynamic structure of highly PEGylated NPs providing better skin wettability and potential skin lipids extraction may have contributed for increased absorption in intact skin. On the other hand, skin condition altered the NPs structure since it was observed that a non-negligible quantity of ionic species was released from impaired skin, triggering the destabilization of weakly or non-PEGylated charged NPs. However, only PLA aggregates sedimented/adhered onto the skin surface, which could have facilitated absorption in impaired skin. The polymeric hydrophilic composition of NPs and the pathological skin condition are therefore essential points to consider when designing nanoformulations

Le développement de nouveaux systèmes pour l’administration de médicaments par la voie transcutanée ne cesse de susciter un intérêt croissant pour élaborer de nouvelles stratégies visant à traverser la barrière du stratum corneum et transporter efficacement les agents thérapeutiques à travers la peau. Bien que l’administration par voie orale soit la plus favorable chez les patients, une faible biodisponibilité est souvent rencontrée pour certains médicaments et notamment pour les produits biopharmaceutiques. Ainsi, la peau représente un site accessible et pratique pour l’absorption de médicaments, mais détient un potentiel encore sous-estimé comme voie alternative à l’administration par voie orale. La conception de systèmes d'administration parentérale prolongée de médicaments capables de contrôler la libération du médicament au long terme et réduire la fréquence d’administration des médicaments pourrait présenter une option de traitement attrayante. Parmi les systèmes d’implants se formant in situ, les implants d’organogel offrent de nombreux avantages pour libérer au long terme une grande variété de molécules médicamenteuses et notamment des substances actives lipophiles piégées dans les huiles gélifiées. Cependant si l’objectif visé est une administration minimalement invasive et rapide de substances actives, les timbres de microaiguilles dissolvant dans la peau seraient d’un grand intérêt en raison de leur auto-administration, leur sécurité d’emploi et leur capacité à administrer des médicaments à base de peptides. Malgré les effets bénéfiques de ces deux nouveaux systèmes d’administration, les rôles exacts de la composition des organogels et des paramètres géométriques des microaiguilles hydrosolubles sur la libération de médicaments restent peu explorés. Le premier objectif principal de cette thèse était de déterminer l’effet de la composition des organogels se formant in situ par rapport au pourcentage massique en organogélifiant de bas poids moléculaire (acide 12-hydroxystéarique, 12-HSA) et de l’ajout de tensioactif (polysorbate 80) dans le système sur le taux de libération de substances actives hydrophile (acyclovir) et lipophile (clotrimazole). De plus, l'influence des paramètres de composition de ces organogels sur l'induction d'effets toxiques au niveau des fibroblastes de prépuce humain a également été étudiée. Pour ce faire, des systèmes d’organogel formant un dépôt sous-cutané à base de 12-HSA ont été développés en utilisant une faible quantité de solvant organique miscible à l’eau (N-méthyl-2-pyrrolidone) en tant qu’agent inhibant partiellement la gélation, favorisant ainsi l’injection des formulations. Au contact du milieu aqueux, les molécules de 12-HSA ont précipité en immobilisant simultanément l’huile et la substance active en son sein. Une augmentation du pourcentage massique en 12-HSA a conduit à une augmentation de la résistance du gel à la déformation grâce à la formation d’une structure de réseau en trois dimensions complexe. Cependant, l’ajout de polysorbate 80 dans le système a conduit à une structure plus fluide (de faible résistance) diminuant la capacité d’injectabilité des formulations et augmentant l’érosion du gel en surface. Ce dernier phénomène étant amplifié avec un plus faible pourcentage massique en 12-HSA. Les organogels de 12-HSA ont montré diminuer significativement les taux de libération au long terme de l’acyclovir comparé aux formulations de clotrimazole in vitro et ex vivo à travers la peau de porc excisé. La toxicité cellulaire était dépendante du pourcentage massique en 12-HSA et du type de culture cellulaire utilisée. En effet, les effets cytotoxiques étaient plus élevés en augmentant la quantité de 12-HSA dans l’implant pour une sensibilité plus élevée dans la culture cellulaire tridimensionnelle que dans celle bidimensionnelle. Ces résultats semblent néanmoins influencés par le type d’huile utilisé et son potentiel cytotoxique. Le deuxième objectif principal de cette thèse était de déterminer l’effet de la hauteur des microaiguilles en forme de pyramide et solubles dans l’eau sur le taux de libération d’un peptide modèle, le growth hormone-releasing peptide-6 (GHRP-6). À cet effet, les microaiguilles ont été préparées par micro-moulage à l’aide de deux polymères biocompatibles hydrosolubles approuvés par la Food and Drug Agency (FDA), l’alcool polyvinylique (PVA) et polyvinylpyrrolidone (PVP). Les timbres de microaiguilles ainsi développés permettaient de pénétrer efficacement dans la peau de porc tout en libérant la molécule encapsulée à l’interface entre l’épiderme et le derme supérieur. La quantification du GHRP-6 dans différentes matrices (peau, microaiguilles, plasma) a pu être réalisée grâce à une méthode analytique robuste et sensible utilisant la chromatographie liquide ultra performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem. Les études de libération du GHRP-6 ex vivo sur la peau de porc ont montré que le taux de libération du GHRP-6 était plus élevé au long terme pour une hauteur en aiguille plus grande (800 µm contre 500 µm) tout en permettant d’augmenter l’encapsulation du GHRP-6 dans le système. En conclusion, ces résultats suggèrent que les organogels de 12-HSA pourraient constituer une approche prometteuse pour l’administration prolongée de substance active et notamment celles hydrophiles. Toutefois, les formulations développées devront être efficaces in vivo tout en minimisant les effets toxiques par l’utilisation d’huiles plus biocompatibles. Pour une libération rapide de substances actives, les timbres de microaiguilles représentent une avenue très prometteuse notamment pour les médicaments innovants de nature peptidique. Leur efficacité pour la libération de GHRP-6 et de leurs dérivés azapeptides devra être confirmée lors d’études in vivo (pharmacocinétique, pharmacodynamique, biodistribution), ce qui pourrait constituer une avancée dans l’administration de thérapie à base de peptides pour la gestion de l’inflammation chronique. / The development of novel transcutaneous drug delivery systems has gained increasing interest, with the focus on overcoming the stratum corneum barrier and efficiently transport therapeutic agents through the skin. Although oral administration is the most favorable route for patients, low bioavailability is often reported for certain drugs and especially for biopharmaceuticals. Accordingly, the skin represents an accessible and convenient site for drug absorption, but has yet to fully achieve its potential as an alternative to oral delivery. The design of parenteral sustained drug delivery systems capable of controlling long-term delivery of drugs and reducing the frequency of drug administration could present an attractive treatment option. Among in situ forming implants, in situ forming organogels offer many advantages such as controlled-release of a wide variety of drug molecules over a longer period of time, including lipophilic active substances trapped within gelled oil solutions. However, if the objective is the rapid administration of active substances, minimally invasive, dissolving microneedle patches would be of great interest due to their self-administration, their safety and their ability to deliver peptide-based drugs. Despite the beneficial effects of these two new delivery systems, the exact roles of the composition of organogels and geometrical parameters of microneedles on drug delivery are largely understudied. The first main objective of this thesis was to determine the effect of the composition of in situ forming organogels with respect to the organogelator concentration (12-hydroxystearic acid, 12-HSA) and the addition of a nonionic surfactant (polysorbate 80) to the system on the release rate of a hydrophilic (acyclovir) and a lipophilic (clotrimazole) active substances. In addition, the toxic effects of these organogels of different compositions on human foreskin fibroblasts were also studied. To do so, 12-HSA-based organogel systems forming a depot in the subcutaneous tissue have been developed using a small amount of water-miscible organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone) as an agent that can partially inhibit gelation, thus enhancing injectability of the formulations. Upon contact with aqueous medium, 12-HSA molecules precipitated simultaneously immobilizing the oil and the active substance therein. An increase in the concentration of 12-HSA led to an increase in the resistance of the gel to deformation thanks to the formation of a complex three-dimensional network structure. However, the addition of polysorbate 80 to the system resulted in fluid-matrix organogel (weak gel) decreasing the syringability of the formulations while increasing the erosion of the gel on the surface. The latter phenomenon is also intensified with a lower concentration of 12-HSA. 12-HSA organogels have been shown to significantly decrease acyclovir release rates for a longer time period in vitro and ex vivo through excised pig skin compared to clotrimazole formulations. Cellular cytotoxicity was dependent on the concentration of 12-HSA and the type of cell culture used. Indeed, the cytotoxic effects were higher by increasing the concentration of 12-HSA in the implant for a higher sensitivity in the three-dimensional cell culture than in the two-dimensional one. However, these results seem to be influenced by the type of oil used and its cytotoxic potential. The second main objective of this thesis was to determine the effect of dissolving pyramidal microneedles height on the release rate of a model peptide, the growth hormone-releasing peptide-6 (GHRP-6). For this purpose, the microneedles were prepared by micromolding process using two water-soluble biocompatible polymers approved by the Food and Drug Agency (FDA), poly(vinyl alcohol) (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP). The microneedle patches allowed the microneedles to efficiently penetrate pig skin while releasing the encapsulated molecule at the interface between the epidermis and upper dermis. The quantification of GHRP-6 in different matrices (skin, microneedles, plasma) was achieved using a robust and sensitive analytical method using ultra performance liquid chromatography - tandem mass spectrometry. Ex vivo GHRP-6 release studies on pig skin showed that the release rate of GHRP-6 was higher over time for high-height microneedle (800 µm vs. 500 µm) while increasing the amount of GHRP-6 loaded in microneedles. In conclusion, these results suggest that 12-HSA organogels could constitute a promising approach as a sustained-release dosage form of active substances and in particular hydrophilic ones. However, the formulations developed must be effective in vivo while minimizing toxic effects through the use of more biocompatible oils. For a rapid release of drugs, microneedle patches represent a very promising avenue, in particular for emerging peptide drugs. Their efficacy for the release of GHRP-6 and azapeptide derivatives of GHRP-6 needs to be confirmed using in vivo studies (pharmacokinetic, pharmacodynamic, biodistribution), which may represent a breakthrough in the transdermal delivery of therapeutic peptides for the management of chronic inflammation.

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