Diagrama de fases de polímeros

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
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