Pergamon
Eur. Polyn. J. Vol. 32, No. 4, 427-433, 1996pp.
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Diagrama de fase do phb

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Diagrama de fase do phb

  1. 1. Pergamon Eur. Polyn. J. Vol. 32, No. 4, 427-433, 1996pp. Copyright 0 1996 Elsevier Science Ltd Printed in Great Britain. All rights reserved 0014-3057/96 $15.00 + 0.00 MEMBRANES EN POLYHYDROXYBUTYRATE ET POLY(HYDROXYBUTYRATE-CO-HYDROXYVALERATE) POUR LA MICROFILTRATION: INFLUENCE DU NON- SOLVANT SUR LES PROPRIfiTfiS HYDRODYNAMIQUES A. MAS,* J. SLEDZ et F. SCHUE Laboratoire de Chink Macromoliculaire, Universitt Montpellier II, Place Eugene Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 5, France (Refu le 22 mars 199.5; version Jinale acceptke le 24 avril 1995) R&um&Les d&bits et les taux de retention de membranes poreuses en polyhydroxybutyrate (PHB) et en poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvaltrate) P(HB-co-HV) obtenues par inversion de phase g partir du systime ternaire polymkre-solvant-non solvant (P-S-NS) sont discutks en fonction de la nature et la quantitk de trois non-solvants: tktrahydrofuranne, Ethanol, dimkthylformamide. L’analyse des diagrammes de phase ternaire du collodion initial permet de justifier les valeurs maximales des taux de rktention pour des compositions en non-solvant de 8 B 10% en poids. Abstract-We prepared polyhydroxybutyrate and poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) porous membranes with phase inversion method from ternary system and different percentages of three different non-solvents (NS): tetrahydrofuran, dimethylformamide and ethanol. Retention factor (% R), water and ethanol fluxes are given. The maximum value of % R for 8-10% NS is correlated with the initial collodion ternary phase diagram. INTRODUCTION Un biodistributeur permettant de tester de faGon dynamique la skcrktion de diffkrents types de cellules serait un outil tr& apprCciC pour I’expCrimentation in vitro en pharmacologic (Fig. 1). Cependant, sa rialisation exige que les membranes destirkes g &tre utiliskes comme support de la culture de cellules soient biocompatibles, performantes dans les domaines de la microfiltration ou de l’ultra- filtration, pernklectives aux sCcrCtions et aux Ckments du milieu nut&if. Celles-ci doivent Cgalement etre stkrilisables par les mkthodes actuelles, avoir une duke de vie suffisamment longue et poskder de bonnes propriktks mkaniques, rksistance et souplesse, pour une utilisation aike. Les membranes que nous avons tlabortes dans ce but sont B base de polymZre polyhydroxybutyrate bactkien PHB et de copolymke contenant des unit& hydroxyvaltrate P(HECGHV) CtudiCs en particulier dans notre laboratoire [l, 21. Ce sont des thermo- plastiques biocompatibles et biodkgradables mais ayant une duke de vie suffisamment longue pour etre utiliks au sein d’un biodistributeur. L’homopolymke PHB est hautement cristallin avec un point de fusion sit& entre 170 et 180” et une tempkrature de transition vitreuse TV de 15”. I1 est relativement fragile et cassant. Par contre, la diminution de la cristallinitk et des temperatures de fusion et de transition vitreuse avec l’accroissement du pourcentage d’unitks hydroxyvaltrate HV confke *A qui toute correspondance doit Otre adresske aux copolymkres une flexibiliti: et une rksistance plus tlevkes [3]. Ces propriCt6s mkaniques inttressantes justifient les nombreuses recherches en biomatkiaux et dans le domaine industriel. Des efforts importants sont faits en particulier pour rkaliser la synthbe de ces polymkres [4,5] ou prkparer des mklanges stables [6]. Ces recherches visent B mieux comprendre le mtcan- isme de biodkgradation [7,8] et de vieilliseement [9], synonyme dans notre cas de durCe de vie, et les conskquences sur les propriCtCs thermiques et visco- Clastiques. Les membranes sont obtenues par inversion de phase et immersion dans un bain de coagulation B partir d’un mllange ternaire polymke-solvant-non solvant (P-S-NS) de composition variable. Le solvant est le chloroforme CHCl, dans tous les cas mais trois non-solvants ont &tC utiliis: le tktrahydrofuranne (THF), 1’6thanol (EtOH) et le dimtthylformamide (DMF). Pour une meilleure approche de leur r81e respectif dans la prkparation des membranes, nous avons tttabli les diagrammes de phase ternaire pour l’homopolymtre PHB et les copolymkres P(H&co- 9% HV) et P(HEco-22% HV). La mesure des dkbits $ l’eau (DH,O) et i l’kthanol (DEtOH) ainsi que la mesure du taux de rktention exprimk en %R pour des solutions de dextrane en fonction de la nature et de la quantitk de NS dans le mklange initial nous ont permis de caractkiser les membranes. Paralltlement g leur klaboration, nous avons me& pendant plusieurs mois une Ctude de la biocompatibilitt et de la biodkgradation in vivo et in vitro des polymkres utilisks [lo]. EP, xi- 427
  2. 2. 428 A. Mas et al. dilution ou d’B16ments nutritifs X X X X X X X X X X X XXxxxxxxxxxxxxx b Culture de cellules -Membrane permselective Secretions cellulaires Fig. 1. Schima d’un biodistributeur utilisable en exptrimentation in vitro. Les rksultats confirment les rCelles possibilitts offertes par ces membranes pour leur utilisation dans un biodistributeur. PARTIE EXPERIMENTALE Les polymtres fournis par I.C.I. sont purifiks par prkipitation dans l’kther d’une solution de polymtre dans le chloroforme. Diagramme de phase rernaire Des collodions de 1,3, 5, 7. 9, 11, 13, 15, 17 et 20% en poids de polymkre dans le solvant sont p&park dans des flacons munis d’un capuchon B jupe rabattable, conservOs g 20” et agitCs lentement. L’addition toutes les deux heures de volumes variables de non-solvant (0,Ol $ 0,l ml) par l’intermidiaire d’une seringue et le suivi de l’opacitk de la solution jusqu’$ la dkmixtion permet de construire point par point le diagramme. PrPparation des membranes Les collodions contenant un rapport P/S constant et NS en quantitk croissantes sont coults sur une plaque de verre. Aprils tvaporation partielle de 60sec B 20”, la plaque de verre est immergke dans le bain de coagulation. L’kpaisseur des membranes obtenues aprts skhage est mesurte $ l’aide d’un micromktre tlectronique et comprise entre 120et 170Hrn. Les proprietts hydrodynamiques ont 6tBmesurkes grlce B une cellule Amicon pour une pression constante de 40cm Hg. Rl%ULTATS ET DISCUSSION Choix des non-solvants pour I’Plaboration des membranes: diagramme de phase ternaire Les non-solvants ont ttk. choisis en fonction de leur miscibilitk en toutes proportions au chloroforme et leurs caractkistiques physiques diffkrentes (Tableau 1) pouvant induire un comportement particulier dans chaque &tape de l’ilaboration des membranes: dissolu- tion du polymke, tvaporation partielle et coagulation par immersion. Les diagrammes de phase ternaire (Fig. 2) montrent que la dtmixtion intervient pour des % de NS voisins dans le cas du THF et du DMF mais suptrieurs dans le cas de EtOH. La zone de miscibilitk nettement plus Ctendue dans le cas du mklange CHCI,/EtOH montre que EtOH est le non-solvant le moins efficace. Afin de mettre d profit les caractkristiques des diffkrents mklanges, nous avons sklectionnk les mklanges CHCl, /THF et CHCl,THF et CHCl, /DMF pour 1’Ctape de dissolution des polymkes car ils ont un comportement voisin. Ceci permet de modifier essentiellement les conditions de Y&tape d’kvapor- ation partielle puisque la tempkrature d’kbullition, la pression de vapeur et l’indice d’Cvaporation de THF et DMF sont nettement diffkrents. Par contre, une Ctude de la variation de la com- position du bain de coagulation nous permettra de relier la miscibilitk des polymkes dans les diffkrents mklanges et le phCnom&e de diffusion du NS i l’intkieur de la couke. Composition du bain de coagulation La composition du bain de coagulation est un tkment important puisque la porositk de la membrane dCpend en particulier de la rapidit d’khange entre le mklange solvant S-non solvant NS, du collodion et le non-solvant NS2 du bain de coagulation [11, 121. La littkrature indique frkquemment l’utilisation de bain constituk d’un non-solvant additionrk d’eau pour la coagulation ou un post-traitement [131.Nous avons test6 trois types de bain: THF/H,O, DMF/H,O et EtOH/H,O pour des compositions variables. Des essais prklimin- aires nous ont permis de choisir le P(HB-co-22% HV) pour une composition fixe du collodion P-S lo-90%. Ce choix est motivC par les bonnes propriktks film- ogknes du copolymire dues k une tempkrature de Tableau I. Temphature d’Sbullition r,,,, pression de vapeur P, et indice d’bvaporation du solvant et des non-solvants utilisbs (d’aprh catalogue Merck) lndice d’haporation DIN 53170 CHCL, 61 210 2,5 THF 66 200 2,3 EtOH 78 59 8.3 DMF 153 4 60
  3. 3. Membranes en polyhydroxybutyrate et poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) 429 OTHP l DMP A EtOH lOOI P 1OOI s 5 10 15 20 25 30 35 ) 1000 NS 1000 P OTHF l DHP A EtOH 1008 s 5 10 15 20 25 30 35 b 1000 NS OTIiF l DMP A EtOH 1000 P f 30 / 25 (b) 1000 NS Fig. 2. Diagramme de phase temaire du (a) PHB; (b) P(HB-CO-~% HV); (c) P(HBco-22% HV). S = CHCI,, NS: THF, DMF ou EtOH.
  4. 4. 430 A. Mas et al. Tableau 2. Wbits P I’&hanol et A I’eau de membranes P(HB-co- 22% HV) (P-S i&PO%) obtenues par immersion dans un bain de coagulation de composition variable EtOH/H,O Bain de coagulation D EtOH D H,O EtOH/H,O (% vol) (l/m*~atm~j) (l/m2.atm.j) 100-O 0 0 95-5 70 I20 90-10 600 850 85-15 1600 2200 80-20 2250 2800 75-25 2400 3300 transition vitreuse (T, = - 5’) et un pourcentage de cristallinite plus faibles que ceux de I’homopolymtre. Dans le cas des melanges THF/H,O et DMF/H,O, il n’y a pas de coagulation pour des % H,O compris respectivement entre O-25% et entre O-70% en volume mtme apres 48 hr de sejour de la coulee dans le bain. Pour des valeurs superieures a 25% et 70%, la coagulation est plus rapide mais les membranes obtenues presentent une faible resistance a la pre- hension et se retractent fortement en &chant pour devenir friables. A I’inverse, dans le cas des melanges EtOH/H,O, la coagulation necessite une dizaine de minutes et les membranes obtenues presentent une retraction limitee au sechage a fair. Leurs debits a I’ethanol et a I’eau (Tableau 2) mesures pour une pression de 40 cm Hg passe de 0 I/m*.atm .j pour EtOH pur a 2400-3300 I/m2 .atm .j pour la composition EtOH/H,O 75/25, I’addition d’eau dans le bain augmentant la porosite. Pour des valeurs superieures a 30% H,O, la co- agulation se produit tgalement mais les membranes presentent des defauts ayant pour origine une separ- ation de phases dans le systeme P(HB-~-22% HV)- CHCI,-EtOH-H,O. Bien que DMF et THF soient de meilleurs NS que EtOH dans le cas du PHB et des P(HB-co-HV), leur vitesse d’echange avec CHCI,, c’est-d-dire leur vitesse de diffusion dans la cot&e est beaucoup plus lente. La vitesse de penetration du NS dans la coulie et l’efficacite de la coagulation dependent essentiellement de l’affinite du NS pour le melange P-S c’est-a-dire de la miscibilite du systeme P-S-NS. Afin d’obtenir des membranes a debits elevts, nous avons retenu la composition EtOH/H,O, 80/20 en Tableau 3a. Dibits $ I’kthanol et $ I’eau, taux de r&tention (% R) pour le dextrane M = 2000,000 en fonction du % NS: THF ou DMF pour les membranes PHB PHB % poids PmSmNS IO ,90 .o 9,95.89,55. 0,s 9,8 .8X,20. 2 9,s .85,5 5 9,2 ‘82,s 8 9 ,8l IO 8.8 .79,2 .I2 8.4 ‘76.6 ‘15 NS: THF T.R. (% R) D ETOH D H,O Dextrane (l/m*.atm.j) (l/m’.atm.j) 2000,000 4300 3000 50 4200 7150 25 4300 5000 20 6300 9800 5 12,800 15,600 5 9000 14,000 3 4500 5200 2 2300 3600 25 NS: DMF T.R. (% R) D EtOH D H,O Dextrane (l/m’.atm.j) (ljm*.atm~j) 2000,000 4300 3000 55 5200 5800 20 4300 5000 18 6300 9800 9 24,500 32,300 5 20,300 26.800 29 8300 10,900 60 4200 4530 70 Tableau 3b. Dkbits g 1’6thanol et ti I’eau, taux de rttention (% R) pour le dextrane M = 2000.000 en fonction du % NS: THF cm DMF pour les membranes P (HB-co-P% HV) P (HB-co-P% HV) % poids P-S-NS NS: THF T.R. (% R) D ETOH D H,O Dextrane (W~atm.i) (l/m’.atm.i) 2000,000 NS: DMF T.R. (% R) D EtOH D H,O Dextrane (1im’~atm.i) (I/m’.atm.i) 2000.000 IO .90 ,o 5800 3600 75 5800 3600 75 9,95.89,55’ 0,s 5600 7200 60 5300 4500 60 9,8 .88,20. 2 5800 8100 55 10,100 9400 40 9,5 .85,5 5 6000 8400 35 20,300 27.000 27 9,2 .X2,8 8 9000 9800 30 23.800 30,900 25 9 ,8l .I0 6000 6200 30 10,800 14,000 45 8,8 .79,2 ‘12 3300 2300 28 8500 11,800 42 8.4 .76,6 I5 I200 2200 70 7600 10,500 38 Tableau 3~. Dtbits B I’tthanol et 1 I’eau, taux de rktention (% R) pour le dextrane A4 = 2000,000 en fonction du % NS: THF ou DMF pour les membranes P (HB-~~-22% HV) P (HB-~-22% HV) % poids P-S-NS IO .PO .o 9,95’89,55’ 0,5 9,8 .88,20, 2 9,5 ‘ES,5 5 9,2 .82,8 8 9 .8l ,I0 8,8 .79,2 ‘12 8,4 .76,6 ‘15 NS: THF NS: DMF ____ . T.R. (% R) T.R. (X R) D ETOH D H,O Dextrane D EtOH D H,O Dextrane (l/m2,atm,j) (l/m2~atm~j) 2000,000 (I/m2,atm.j) (Ijm*.atm~j) 2000,000 2250 2800 50 2250 2800 50 2700 3500 40 2000 3150 62 2900 4500 60 2700 3800 60 4500 6100 55 5000 6700 65 12,100 15,900 40 12,800 16,500 55 9600 12,500 43 10,000 12,600 55 6400 8600 49 4200 5100 52 4300 5400 49
  5. 5. Membranes en polyhydroxybutyrate et poIy(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) 431 DBbit l/mz.atm. j 8600 8000 7000 6400 6000 5800 5000 DEtOH f--------- ETHANOL DH20 L______ EAU ‘ DEtOH - _ - - - ETHANOL 0 10 20 30 100 ml ETOH 0 10 20 30 0 10 20 30 100 ml Hz0 lb0 ml ETOH Volume f iltrb Fig. 3. Effet d’un cycle ethanolkau+ethanol sur le debit des membranes obtenues a partir de la composition suivante: P(HB-co-9% HVwHCl,-THF 9,8%-88,2%-2%. volume pour Ie bain de coagulation, Ie THF et le DMF Ctant ajoutcs avec des pourccntages variables au collodion initial. Influence de la nature et de la quantitk de non-solvant dam le collodion sur le dkbit et le taux de Gtention des membranes L’analyse du Tableau 3 a-b-c etabli pour des rapports constant P/S 11% montre que le debit a l’eau est superieur au debit d l’ethanol pour les trois types de membranes et pour toutes les compositions du systtme ternaire PS-NS. Ceci est dfi d une moins grande affinite des polymeres pour H,O que pour EtOH confirmant leur caractere hydrophobe. D’autre part, la stabilite des debits est obtenue apres la filtration de quelques millilitres seulement, meme au tours d’un cycle EtOH-H,O-EtOH (Fig. 3). Les debits des membranes dont le collodion contient du DMF sont generalement plus ClevCs que dans le cas du THF. Cette augmentation peut etre attribuee d une Cvaporation moins rapide du DMF (Tableau 1) pendant l’ttape d’evaporation partielle de 60 set, la coagulation par immersion du collodion plus riche en DMF qu’en THF conduit alors a une microcouche plus poreuse. Les d&bits dependent Cgalement de la quantitk de NS et passent par une valeur maximale pour 8 a 10% NS. Les taux de retention pour les molecules de dextrane suivent une evolution inverse. Les Figures 4 et 5 donnent un exemple de ces variations dans le cas du melange ternaire PHE CHCl,-DMF, l’allure ginerale reste la mime quel que soit le melange Ctudie. En effet, les melanges P-S-NS sont homogenes jusqu’a une concentration en NS de 8 a 10% (Fig. 2, segment AB) et l’addition progressive de NS dans le collodion provoque une augmentation de la porositt des membranes done de leur debit. Pour les valeurs superieures, de 10 a 15% NS (Fig. 2 segment BC), proches ou m&me legerement a l’inttrieur de la zone de separation de phase, la sursaturation du collodion [141like aux fortes forces de cohesion intermolkculaires P-P freine la separation de phase et favorise l’existence d’un coacervat de concentration en polymtre Se&e qui conduit apres coagulation a des membranes de porosite plus faible.
  6. 6. 432 A. Mas et al. DH20 l/ml.atm.j %R Dextrane M = 2000000 40000 3oooc 20000 1oooc 60 40 20 00.5 2 5 8 10 12 15 % Non Solvant DMF Fig. 4. Evolutions comparkes des d6bits $ l’eau et des taux de rttention %R desmembranes B base de PHB en fonction du %DMF. TAUX DE R!i!TEX?l'ION% R 60 40 20 1 I w 162000 298000 503000 2000000 M dextrane Fig.5.Zonede coupure de membranes B base de PHB obtenues d partir de compositions diffkrentes en DMF.
  7. 7. Membranes en polyhydroxybutyrate et poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) 433 Au-dela de 15% NS, l’inhomogeneid du collodion et de la co&e ne permet pas la formation de membranes de structure reguliere aux proprietes de filtration reproductibles. CONCLUSION Nous avons prepare des membranes PHB, P(HB-~-9% HV) et P(HB-co-22% HV) utilisables en microfiltration. Leur debit compris entre 1200 l/m2.atm.j et 32,000 l/m2. atm.j et leur taux de retention (% R) compris entre 5% et 75% pour le dextrane 2,000,OOO dependent de la quantite de non-solvant: DMF ou THF utilise. Les meilleures valeurs du taux de retention sont obtenues generalement pour des % NS de 0 a 2% et de 12 a 15%. La valeur minimale de % R pour une valeur maximale du debit correspond dans tous les cas a une composition de 8 a 10% NS. L’analyse du diagramme de phase ternaire a permis de justifier ces variations et de verifier l’existence d’un coacervat pour des compositions proches de celle de la dtmixtion. Ces membranes elaborkes a partir de polymeres bio- compatibles font actuellement l’objet de recherches pour @tre integrees au sein d’un biodistributeur. Remerciements-Les auteurs tiennent a remercier le P61e Languedoc-Roussillon de Genie Biologique et Medical pour sa contribution financitre dans la rtalisation de ces travaux. 1. 2. 3. 4. 5. 6. I. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. BIBLIOGRAPHlE A. Ait Ben Aoumar, F. Schue, J. Sledz, M. Zitoune, A. El Ha&i, A. Orsetti et G. Paleirac. Eur. Polym. J. 27, 1443 (1991). F. Schue, G. Clarotti, J. Sledz, A. Mas, K. E. Geckeler, W. Cope1 et A. Orsetti. Makromol. Chem., Macromol. Symp. 73, 217 (1993). A. J. Anderson et E. A. Dawes. Microbial. Rev. LXX,450 (1990). Y. Hot-i. M. Suzuki, A. Yamaguchi et T. Nishishita. Macrom&ecules 26, 5533 (1993): A. D. Paierski et R. W. Lenz. Makromol. Chem., Macromol: Symp. 73, I (1993). G. Ceccorulli, M. Pizzoli et M. Scandela. Macromolecules 26, 6722 (1993). J. J. Jesudason, R. H. Marchessault et T. Saito. J. environ. Polym. Degradn 1, 89 (1993). J. E. Kemnitzer, S. P. McCarthy et R. A. Gross. Macromolecules 25, 5927 (1992). M. Scandola. G. Ceccorulli et M. Pizzoli. Makromol. Chem. Rapid. Commun. 10, 47 (1989). P. Coussot-Rico, A. Najimi, A. A. Ben Aoumar, G. Clarotti, J. Sledz, F. Schue, A. Orsetti et R. Quatefages. Innovation Technol. Biol. Mid. I. T.BM 15, 529 (1994). H. Strathmann et K. Kock. Desalination 21,241 (1977). M. Mulder. Basic Principles of Membrane Technology. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London (1991). A. Wolfgang, W. Thomas, G. Volker, K. Paul, M. Werner et M. Doris. Post treatment of plane polymer membranes for separation. GER (East) DD 296.218,28 Nov (1991). K. Kimmerle et H. Strathmann. Desalination 19, 283 (1990).

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