Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le sujet de cette thèse consiste à formuler et caractériser de nouveaux matériaux hybrides inorganique/organique pour la formulation et la libération de principes actifs. Ces matériaux sont constitués soit par des hydroxydes doubles lamellaires (HDL) et des phospholipides (PL) soit par des hydroxydes doubles lamellaires et du chitosane. Les matériaux hybrides hydroxydes doubles lamellaires/phospholipides ont été obtenus par échange anionique entre les anions du feuillet d'HDL et les phospholipides chargés négativement sous forme de liposomes. Les techniques d'analyse utilisées (DRX, ATG, UV et MET) ont permis de déterminer l'influence de la nature des anions de compensation des feuillets d'HDL et des phospholipides sur le taux de intercalation de PL dans les HDL et le taux de chargement d'un principe actif modèle : l'estradiol. Nous avons effectué ensuite des cinétiques de libération des phospholipides et de l'estradiol intercalés en faisant varier le pH et la composition du milieu pour déterminer les propriétés de ce matériau en tant que système de libération sous forme d'implant afin de libérer le principe actif sur des temps très longs. Les matériaux hybrides hydroxydes doubles lamellaires/chitosane ont ensuite été synthétisés sous forme de billes par un procède sol-gel nous permettant d'optimiser la morphologie et la texture des matériaux par le contrôle de la viscosité et le choix du mode de séchage (étuve ou spray-drying). Le chitosane a été choisi pour ses propriétés muco-adhésives afin d'envisager une application du matériau sur les muqueuses. Les techniques d'analyse utilisées ont permis de confirmer la présence de HDL dans le chitosane (DRX), de déterminer la morphologie des billes (MET, MEB) ainsi que leur composition (ATG). Des cinétiques de libération au cours de temps et en fonction de pH ont été réalisées sur de billes chitosane/ hydroxydes doubles lamellaires chargées en principe actif (ibuprofène ou phospholipides charge en estradiol) afin de déterminer leur potentiel de libération du PA. Ces nouveaux hybrides inorganique/organique s'avèrent donc être des matériaux très intéressants en tant que systèmes de libération contrôlée de principes actifs dans le domaine pharmaceutique. / The aim of this work involves the preparation and the characterization of new inorganic/ organic hybrids materials as drug delivery systems. These materials are composed of layered double hydroxide (LDH) and phospholipids (PL) or layered double hydroxide and chitosan. The layered double hydroxide/phospholipids hybrids materials were obtained by anionic exchange between the anions from the HDL layers and the liposome composed of phospholipids with negative charges. Different analysis were used such as XRD, TGA, TEM and fluorescence for the characterization of these materials and the determination of parameters such as the nature of the LDH anions nature, the kind of phospholipids as well the ratio of used model drug (17ƒÒ-estradiol) allowing the optimal method. Release kinetic studies of the phospholipids and of the drug were carried out in different release media (pH, nature of ions) to evaluate the potential sustained release properties of these hybrid materials. Layered double hydroxide/chitosan beads were developed by a sol-gel process. Chitosan was chosen for its muco-adhesive properties permitting to broaden the possibility of pharmaceutical applications. This method allowed us to improve the morphology and the texture of the material by controlling the viscosity and the drying process. Materials were characterized by XRD, TGA, SEM and TEM to determine: the presence of LDH, the encapsulated LDH yield and the morphology of the beads. Releases kinetic of a model drug (ibuprofen) encapsulated in layered double hydroxide/chitosan hybrid materials allowed us to test its potential release properties. Such new inorganic/ organic hybrids materials proved to be interesting as sustained release systems in pharmaceutical domain.

Le travail de recherche mené au cours de cette thèse a été effectué dans le cadre d’une collaboration industrielle et a porté sur l’étude des caractéristiques physico-chimiques d’une matrice lipidique à libération prolongée. L’originalité de cette dernière tient à sa forme galénique, des microsphères calibrées d’environ 400 µm de diamètre, fabriquées par procédé de prilling puis conditionnées en sachets.Les caractérisations entreprises au cours de cette thèse ont été menées progressivement en partant de l’étude du comportement thermique individuel des constituants (excipients lipidiques et principe actif), puis de leurs mélanges pour définir les conditions d’existence et les caractéristiques structurales des phases solides qu’ils engendrent, notamment lors du prilling. Plusieurs diagrammes d’état partiels ont été construits pour permettre de cerner l’organisation de la matrice formant le produit fini et disposer de leviers fiables pour corriger d’éventuelles déviations du procédé de fabrication. Cette analyse était également indispensable pour décrire précisément le processus de libération du principe actif et en déterminer les paramètres cinétiques. / The research conducted in this thesis, during an industrial collaboration, is focused on the study of physicochemical characteristics of a sustained release lipid matrix. The originality of this matrix is its dosage form, microspheres of 400 microns in diameter, manufactured by a prilling process and packaged in stick-packs.The characterizations conducted during this thesis have been carried out gradually starting from the study of the thermal behavior of individual components (lipidic excipients and drug) and their mixtures to define the phase formation conditions and the structural characteristics of the solid phases generated, especially during the prilling process. Partial phase diagrams were constructed to understand the final product matrix organization and to identify actions to correct any deviations in the process. This analysis was also needed to accurately describe the drug release mechanism and to determine the kinetic parameters.

Des particules constituées d’un cœur polymère polylactide (PLA), recouvertes d’une couche de polysaccharide adsorbé physiquement (dextrane hydrophobisé par des chaînes alkyle en C6, DexC6) et contenant des substances actives (SA) de type polyphénolique ont été élaborées par différents procédés physico-chimiques discontinus (nanoprécipitation et émulsion-évaporation de solvant) ou continus (procédé microfluidique d’émulsion-diffusion de solvant). L’extrapolation du procédé de nanoprécipitation de l’échelle laboratoire (25 mL) à l’échelle pilote (1 L) a été examinée. Ces particules étaient destinées au traitement des milieux aquatiques, pour la lutte contre le développement des cyanobactéries et des algues. Dans le but de maîtriser les caractéristiques des particules élaborées (distribution de taille, stabilité colloïdale, rendement d’encapsulation en SA ...), l’influence de paramètres physico-chimiques a été étudiée (concentration du PLA dans la phase organique, concentration du DexC6 dans la phase aqueuse, rapport volumique des deux phases, fraction massique SA/PLA …). Les procédés mis au point ont permis d’obtenir des particules dont les diamètres moyens allaient de 0,1 µm à 1 mm, avec des distributions granulométrique bien maîtrisées. Ces objets ont été caractérisés en termes de taux de recouvrement en dextrane, de quantité de SA encapsulée et de morphologie. La stabilité colloïdale des suspensions de nanoparticules a été examinée dans des milieux de force ionique variable. Par ailleurs, nous avons vérifié la possibilité de redisperser les suspensions de particules après lyophilisation. Pour les nanoparticules, l’addition d’un cryoprotecteur s’est avérée indispensable. Les cinétiques de libération des substances actives à partir des particules nano- et micrométriques ont également été suivies et les phénomènes limitant leur libération ont été identifiés.Enfin, des essais sur des milieux de culture contenant des cyanobactéries ont été réalisés. Ils ont montrés que la libération des SA conduisait à des effets algistatiques ou algicides selon les quantités utilisées. / Polysaccharide-covered polyester particles were prepared. The core of particles was made of polylactic acid (PLA) while their surface was covered by dextran chains via the use of water-soluble randomly hydrophobized dextran (DexC6) as a polymeric stabilizer. Polyphenolic active substances were encapsulated inside those particles. Polyphenol loaded PLA particles were designed for preventing cyanobacterias and algae proliferation in aquatic media. Conventional batch processes (nanoprecipitation or emulsion-solvent evaporation) and continuous processes (emulsion-solvent diffusion in microfluidics) were used to elaborate particles with average diameters ranging between 0.1 µm and 1 mm. The scale up of nanoprecipitation from lab scale (25 mL) to pilot scale (1 L) was also studied. The formulation parameters (PLA concentration in the organic phase, DexC6 concentration in the aqueous phase, aqueous phase to organic phase volume ratio, active substance weight fraction…) were optimized in order to obtain particles with well controlled characteristics (average diameter and size distribution, colloidal stability, encapsulation efficiency …). Loaded particles elaborated by different processes were characterized with regards to DexC6 surface coverage, colloidal stability at various ionic strengths, morphology and encapsulation efficiency. We also investigated the re-dispersion ability of particle suspensions after freeze drying and we showed that the use of a cryoprotectant was required in case of nanoparticles. The release of polyphenolic molecules from the elaborated polymeric nano- and microparticles was studied and limiting steps were identified. Finally, the cytotoxicity of nanoparticles toward cyanobacterias was evaluated. It was demonstrated that anti-algal effects were observed depending on the added quantities.

Au cours des dernières années, les autorités sanitaires ont recommandé une réduction de la teneur en sel et en gras dans la consommation alimentaire quotidienne. Cependant, les aliments à teneur réduite en sel et en gras sont souvent peu appréciés par les consommateurs, ce qui a amené au développement des recherches sur les stratégies possibles pour maintenir l’acceptabilité des aliments tout en réduisant les teneurs en ces ingrédients. Dans cette thèse, l’intégration multi-sensorielle et les cinétiques de libération du sel et des arômes mesurées in vitro ont été étudiés pour évaluer leur potentialité à compenser une réduction en sel et matière grasse d’un fromage modèle de composition variable et d’un fromage réel (type trappiste).Dans une première étape, une approche sensorielle a permis d’étudier les interactions multi-sensorielles arômes-saveurs-texture pour les formages modèles et réels. La structure et la perception sensorielle de vingt-quatre modèles fromagers variant en composition (2 niveaux de gras, 2 de sel, 2 de pH à l’emprésurage) et aromatisés avec un arôme de sardine (associé au sel), d'un arôme de beurre (associé au gras) ou non aromatisés (témoin) ont été caractérisés par des mesures rhéologiques (compression uniaxiale) et des mesures sensorielles (profil descriptif). Les résultats ont montré une influence de la composition sur la structure et la texture perçue des produits. Par ailleurs, l’arôme sardine a conduit à une perception plus salé ; l’arôme de beurre a permis de renforcer la perception du caractère gras. Toutefois cette influence des arômes sur les autres dimensions sensorielles est fonction de la texture des produits donc de leur composition et de leur structure. Ces résultats ont été étendus à des fromages réels avec toutefois des spécificités. Si l’arôme sardine renforce la perception du sel, seul l’arôme de beurre associé à l’arôme de sardine permet de renforcer le caractère gras.Dans une deuxième étape, une approche physico-chimique a été développée pour explorer les cinétiques de libération des stimuli odorants et sapides dans des conditions simulant la mastication in vitro à l’aide d’un simulateur de mastication. L’objectif était d’utiliser les données ainsi obtenues pour expliquer l’influence de la structure des produits et de leur déstructuration lors de la mastication sur les effets sensoriels observés dans la première étape. Les modèles fromagers et les fromages réels ont été ainsi étudiés. La libération des composés volatils a été évaluée en connectant le simulateur de mastication à un spectromètre de masse à pression atmosphérique (PTR-MS) ; la libération du sodium a été suivie grâce à une sonde de conductivité. Les résultats ont montré une influence des trois paramètres de composition (teneur en matière grasse, en sel et pH à l’emprésurage) sur les cinétiques de la libération des arômes. Cette variation dépend néanmoins de la nature de l’arôme suivi ; les arômes plus hydrophobes étant moins sensibles aux variations de la teneur en matière grasse et plus sensibles aux variations de pH et donc à la structure du produit. La cinétique de libération du sel lors de la mastication in vitro est aussi largement influencée par la composition et la structure des produits. Outre la teneur en sel qui conditionne les quantités libérées, la teneur en matière grasse et le pH à l’emprésurage module la cinétique de libération du sel. Au final, ces travaux montrent une importante contribution de la cinétique de libération et donc probablement de la temporalité des sensations dans perception globale du sel et de la matière grasse lors de la consommation d’un aliment complexe. / In recent years, health authorities worldwide advise for a reduction of salt and fat in daily food consumption. However, foods with reduced salt and fat content are often not appreciated by consumers, Therefore, the formulation of low-salt-fat foods that maintain acceptability is a major concern in food research. In this thesis, the multi-sensory integration and release kinetics of flavor compounds were explored as strategies to compensate for salt and fat reduction in cheese products (model cheeses and real cheeses). The objective was to better understand the mechanisms leading to aroma and salt release during mastication and to evaluate how the matrix composition and structure influence salt and aroma release profile.Multisensory integration approach to compensate for salt and fat reduction was studied in a first step. The structure and sensory perception of 24 cheese models varying in composition (2 levels of fat, 2 salt, 2 pH at renneting) and flavored with either a sardine aroma (associated to salt), a butter aroma (associated to fat) or not flavoured (control) were characterised by rheological measurements (uniaxial compression) and sensory evaluation (descriptive analysis). The results demonstrated an influence of the composition on the products structure and perceived texture. Furthermore, a significant saltiness enhancement was induced by sardine aroma while significant fat perception enhancement was induced by butter aroma. However, this influence of the aroma on other sensory dimensions depends on the texture of the products thus on their composition and structure. These results have been extended to real cheeses but with specificities. If the sardine flavor enhanced the perception of salt, only butter-sardine-flavor enhanced the perception of fat.In a second step, a physico-chemical approach was developed to explore the release kinetic of flavor compounds during in vitro breakdown using a chewing simulator. The aim was to use these data to explain the influence of the structure of model cheeses and real cheeses and their breakdown during chewing on sensory effects observed in the first step. Volatile compounds release was monitored by connecting the chewing simulator to a proton transfer reaction-mass spectrometry (PTR-MS), while salt release was monitored using a conductivity probe. Results showed that product composition and structure (fat, salt and pH at renneting) influenced aroma release, which however depends on the nature of the aroma: the more hydrophobic compounds are less sensitive to variations in fat content and more sensitive to variations in pH and therefore to the products structure. The salt release kinetic during in vitro chewing was also influenced by the composition and structure of the products. Indeed, beyond salt content which determined the amount of salt released, fat content and the pH at renneting modulated the release kinetic. In conclusion, this work showed a significant impact of the flavor compounds release kinetic and probably of temporality of sensations on the overall perception of salt and fat when consuming a complex food.

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 / 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 nonsmooth 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