Creative commons : Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.0 France (CC BY-NC-ND 2.0) ...
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
http://portaildoc.univ-lyon1.fr
Creative commons : Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale -
Pas de Modification 2.0 France (CC BY-NC-ND 2.0)
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/fr
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1
FACULTE DE PHARMACIE
INSTITUT DES SCIENCES PHARMACEUTIQUES ET BIOLOGIQUES
THESE n°148
THESE
Pour le DIPLOME D’ETAT DE DOCTEUR EN PHARMACIE
Présentée et soutenue publiquement le 04 octobre 2019 par
Mme GUIRAND Marie
Née le 12 septembre 1993
A SAINTE FOY-LES-LYON (69)
*****
L’UTILISATION DES NANOEMULSIONS EN COSMETIQUE
*****
JURY
Mme BOLZINGER Marie-Alexandrine, Professeur
Mme RESENDE DE AZEVEDO Jacqueline, Maître de Conférences
Mme LANCIA Pauline, Docteur en Pharmacie
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
2
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1
• Président de l’Université Frédéric FLEURY
• Présidence du Conseil Académique Hamda BEN HADID
• Vice-Président du Conseil d’Administration Didier REVEL
• Vice-Président de la Commission Recherche Fabrice VALLEE
• Vice-Président de la Formation et de la Vie Universitaire Philippe CHEVALIER
Composantes de l’Université Claude Bernard Lyon 1
SANTE
UFR de Médecine Lyon Est Directeur : Gilles RODE
UFR de Médecine Lyon Sud Charles Directrice : Carole BURILLON
Mérieux
Institut des Sciences Pharmaceutiques et Directrice : Christine VINCIGUERRA
Biologiques
UFR d'Odontologie Directrice : Dominique SEUX
Institut des Sciences et Techniques de Directeur : Xavier PERROT
Réadaptation (ISTR)
Département de formation et centre de Directrice : Anne-Marie SCHOTT
recherche en Biologie Humaine
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Faculté des Sciences et Technologies Directeur : M. Fabien DE MARCHI
UFR de Sciences et Techniques des Directeur : M. Yannick VANPOULLE
Activités Physiques et Sportives (STAPS)
Polytech Lyon Directeur : M. Emmanuel PERRIN
I.U.T. LYON 1 Directeur : M. Christophe VITON
Institut des Sciences Financières et Directeur : M. Nicolas LEBOISNE
d'Assurance (ISFA)
ESPE Directeur : M. Alain MOUGNIOTTE
Observatoire des Sciences de l’Univers Directrice : Mme Isabelle DANIEL
3
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1
ISPB -Faculté de Pharmacie Lyon
LISTE DES DEPARTEMENTS PEDAGOGIQUES
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE DE SCIENCES PHYSICO-CHIMIQUE ET PHARMACIE GALENIQUE
x CHIMIE ANALYTIQUE, GENERALE, PHYSIQUE ET MINERALE
Monsieur Raphaël TERREUX (Pr)
Madame Julie-Anne CHEMELLE (MCU)
Madame Anne DENUZIERE (MCU)
Monsieur Lars-Petter JORDHEIM (MCU-HDR)
Madame Christelle MACHON (MCU-PH)
Monsieur Waël ZEINYEH (MCU)
x PHARMACIE GALENIQUE -COSMETOLOGIE
Madame Marie-Alexandrine BOLZINGER (Pr)
Madame Stéphanie BRIANCON (Pr)
Madame Françoise FALSON (Pr)
Monsieur Fabrice PIROT (PU - PH)
Monsieur Eyad AL MOUAZEN (MCU)
Madame Sandrine BOURGEOIS (MCU)
Madame Ghania HAMDI-DEGOBERT (MCU-HDR)
Monsieur Plamen KIRILOV (MCU)
Madame Giovanna LOLLO (MCU)
Madame Jacqueline RESENDE DE AZEVEDO (MCU)
Monsieur Damien SALMON (MCU-PH)
x BIOPHYSIQUE
Madame Laurence HEINRICH (MCU)
Monsieur David KRYZA (MCU-PH-HDR)
Madame Sophie LANCELOT (MCU - PH)
Monsieur Cyril PAILLER-MATTEI (Pr)
Madame Elise LEVIGOUREUX (AHU)
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE PHARMACEUTIQUE DE SANTE PUBLIQUE
x DROIT DE LA SANTE
Madame Valérie SIRANYAN (Pr)
Madame Sarah PERIE-FREY (ATER)
x ECONOMIE DE LA SANTE
Madame Nora FERDJAOUI MOUMJID (MCU - HDR)
Madame Carole SIANI (MCU – HDR)
Monsieur Hans-Martin SPÄTH (MCU)
x INFORMATION ET DOCUMENTATION
Monsieur Pascal BADOR (MCU - HDR)
x INGENIERIE APPLIQUEE A LA SANTE ET DISPOSITIFS MEDICAUX
Monsieur Xavier ARMOIRY (PU-PH)
Madame Claire GAILLARD (MCU)
Madame Delphine HOEGY (AHU)
4
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
x QUALITOLOGIE – MANAGEMENT DE LA QUALITE
Madame Alexandra CLAYER-MONTEMBAULT (MCU)
Monsieur Vincent GROS (MCU - enseignant contractuel temps partiel)
Madame Audrey JANOLY-DUMENIL (MCU-PH)
Madame Pascale PREYNAT (MCU - enseignant contractuel temps partiel)
x MATHEMATIQUES – STATISTIQUES
Madame Claire BARDEL-DANJEAN (MCU-PH-HDR)
Madame Marie-Aimée DRONNE (MCU)
Madame Marie-Paule GUSTIN (MCU - HDR)
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE SCIENCES DU MEDICAMENT
x CHIMIE ORGANIQUE
Monsieur Pascal NEBOIS (Pr)
Madame Nadia WALCHSHOFER (Pr)
Monsieur Zouhair BOUAZIZ (MCU - HDR)
Madame Christelle MARMINON (MCU)
Madame Sylvie RADIX (MCU -HDR)
Monsieur Luc ROCHEBLAVE (MCU - HDR)
x CHIMIE THERAPEUTIQUE
Monsieur Marc LEBORGNE (Pr)
Monsieur Thierry LOMBERGET (Pr)
Monsieur Laurent ETTOUATI (MCU - HDR)
Madame Marie-Emmanuelle MILLION (MCU)
x BOTANIQUE ET PHARMACOGNOSIE
Madame Marie-Geneviève DIJOUX-FRANCA (Pr)
Madame Anne-Emmanuelle HAY DE BETTIGNIES (MCU)
Madame Isabelle KERZAON (MCU)
Monsieur Serge MICHALET (MCU)
x PHARMACIE CLINIQUE, PHARMACOCINETIQUE ET EVALUATION DU MEDICAMENT
Madame Roselyne BOULIEU (PU – PH)
Madame Catherine RIOUFOL (PU- PH)
Madame Magali BOLON-LARGER (MCU - PH)
Madame Christelle CHAUDRAY-MOUCHOUX (MCU-PH)
Madame Céline PRUNET-SPANO (MCU)
Madame Florence RANCHON (MCU-PH)
Monsieur Teddy NOVAIS (AHU)
Monsieur Florian VAUTRIN (ATER)
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE DE PHARMACOLOGIE, PHYSIOLOGIE ET TOXICOLOGIE
x TOXICOLOGIE
Monsieur Jérôme GUITTON (PU – PH)
Madame Léa PAYEN (PU-PH)
Monsieur Bruno FOUILLET (MCU)
x PHYSIOLOGIE
Monsieur Christian BARRES (Pr)
Madame Kiao Ling LIU (MCU)
5
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
x PHARMACOLOGIE
Monsieur Ming LO (MCU - HDR)
Monsieur Sylvain GOUTELLE (PU - PH)
Monsieur Michel TOD (PU – PH)
Monsieur Luc ZIMMER (PU – PH)
Monsieur Roger BESANCON (MCU)
Monsieur Laurent BOURGUIGNON (MCU-PH)
Madame Evelyne CHANUT (MCU)
Monsieur Nicola KUCZEWSKI (MCU)
Madame Dominique MARCEL CHATELAIN (MCU-HDR)
x COMMUNICATION
Monsieur Ronald GUILLOUX (MCU)
x ENSEIGNANTS CONTRACTUELS TEMPS PARTIEL
Monsieur Olivier CATALA (Pr - enseignant contractuel temps partiel)
Madame Anne INIGO PILLET (MCU - enseignant contractuel temps partiel)
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE DES SCIENCES BIOMEDICALES A
x IMMUNOLOGIE
Monsieur Guillaume MONNERET (PU-PH)
Monsieur Sébastien VIEL (MCU-PH)
Madame Morgane GOSSEZ (AHU)
x HEMATOLOGIE ET CYTOLOGIE
Madame Christine VINCIGUERRA (PU - PH)
Madame Brigitte DURAND (MCU - PH)
Madame Sarah HUET (MCU-PH)
Monsieur Yohann JOURDY (MCU-PH)
x MICROBIOLOGIE ET MYCOLOGIE FONDAMENTALE ET APPLIQUEE AUX BIOTECHNOLOGIES
INDUSTRIELLES
Monsieur Frédéric LAURENT (PU-PH)
Madame Florence MORFIN (PU – PH)
Madame Veronica RODRIGUEZ-NAVA (Pr)
Monsieur Didier BLAHA (MCU-HDR)
Madame Ghislaine DESCOURS (MCU-PH)
Madame Anne DOLEANS JORDHEIM (MCU-PH)
Madame Emilie FROBERT (MCU - PH)
Monsieur Jérôme JOSSE (MCU)
x PARASITOLOGIE, MYCOLOGIE MEDICALE
Monsieur Philippe LAWTON (Pr)
Madame Nathalie ALLIOLI (MCU)
Madame Samira AZZOUZ-MAACHE (MCU - HDR)
Madame Camille LOURS (AHU)
6
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
DEPARTEMENT PEDAGOGIQUE DES SCIENCES BIOMEDICALES B
x BIOCHIMIE – BIOLOGIE MOLECULAIRE - BIOTECHNOLOGIE
Madame Pascale COHEN (Pr)
Madame Caroline MOYRET-LALLE (Pr)
Monsieur Alain PUISIEUX (PU - PH)
Madame Emilie BLOND (MCU-PH)
Monsieur Karim CHIKH (MCU - PH)
Madame Carole FERRARO-PEYRET (MCU - PH-HDR)
Monsieur Boyan GRIGOROV (MCU)
Monsieur Hubert LINCET (MCU-HDR)
Monsieur Olivier MEURETTE (MCU)
Madame Angélique MULARONI (MCU)
Madame Stéphanie SENTIS (MCU)
Monsieur Anthony FOURIER (AHU)
Monsieur Alexandre JANIN (AHU)
x BIOLOGIE CELLULAIRE
Madame Bénédicte COUPAT-GOUTALAND (MCU)
Monsieur Michel PELANDAKIS (MCU - HDR)
INSTITUT DE PHARMACIE INDUSTRIELLE DE LYON
Madame Marie-Alexandrine BOLZINGER (Pr)
Monsieur Philippe LAWTON (Pr)
Madame Sandrine BOURGEOIS (MCU)
Madame Marie-Emmanuelle MILLION (MCU)
Madame Alexandra MONTEMBAULT (MCU)
Madame Angélique MULARONI (MCU)
Madame Marie-Françoise KLUCKER (MCU- enseignant contractuel temps partiel)
Madame Valérie VOIRON (MCU- enseignant contractuel temps partiel)
Pr : Professeur
PU-PH : Professeur des Universités, Praticien Hospitalier
MCU : Maître de Conférences des Universités
MCU-PH : Maître de Conférences des Universités, Praticien Hospitalier
HDR : Habilitation à Diriger des Recherches
AHU : Assistant Hospitalier Universitaire
7
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
8
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
REMERCIEMENTS
Au président du jury,
Je remercie tout d’abord Madame Marie-Alexandrine BOLZINGER, pour m’avoir proposé ce
sujet et pour son encadrement tout au long de ce travail. Je tenais également à vous remercier
pour m’avoir permis d’intégrer votre master 2 à l’IPIL et de suivre le parcours que je désirais.
Vos cours durant ces dernières années m’ont beaucoup appris.
Aux membres du jury,
Madame Jacqueline RESENDE DE AZEVEDO, je vous remercie d’avoir accepté de juger ce
travail et de me faire l’honneur de siéger dans mon jury de thèse ainsi que pour votre
enthousiasme sans faille durant ma dernière année d’étude.
Madame Pauline LANCIA, membre du jury et amie, je te remercie d’avoir accepté de faire
partie de mon jury de thèse, de m’avoir poussée à finaliser ce travail et pour tous tes précieux
conseils lors de tes relectures. Je vais désormais avoir beaucoup de temps libre pour m’investir
dans les cours de Salsa.
A mes parents, merci pour tout votre soutien, pour m’avoir encouragée et m’avoir toujours
poussée durant ces années.
A mon frère, Antoine, pour ton soutien toujours enthousiaste et tes conseils durant la PACES,
merci d’être toujours là.
A Guillaume, pour m’avoir boostée quand il le fallait et pour me pousser à être meilleure chaque
jour.
A mes amies, Fanny et Karen, à mes côtés depuis de nombreuses années et pour encore
beaucoup à venir.
A mes amis de pharmacie qui ont rendu ces 6 années inoubliables, Elise, Edouard et Amandine,
Anne So, Clément, William, Charlotte, Vasco, Alex, Sylvain et tous les autres.
9
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Et bien sûr, Chris mon éternel binôme, j’espère pouvoir venir te rendre visite prochainement à
Montréal.
A l’équipe du Master 2 Cosméto, à ces très belles rencontres pendant ma dernière année et
surtout à Marion, Mathilde, Willy, Bruno, Marie, Tania, Ali et Bianca, à nos apéros parisiens
et à tous ceux à venir.
A mes collègues, Victoria, Léa, Ludivine, Amélie, Laurent et Marion.
10
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)
11
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)TABLES DES MATIERES
REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... 9
TABLES DES MATIERES .......................................................................................................................... 12
LISTE DES FIGURES................................................................................................................................. 14
LISTE DES ANNEXES ............................................................................................................................... 15
LISTE DES ABREVIATIONS ...................................................................................................................... 16
INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 17
I. Formulation des nanoémulsions ................................................................................................... 18
1. Définition ................................................................................................................................... 18
2. Les différents types de nanoémulsions ..................................................................................... 20
3. Propriétés physico-chimiques des nanoémulsions ................................................................... 22
4. Effets de la température et du pH............................................................................................. 23
5. Contrôle de la taille des gouttelettes ........................................................................................ 26
II. Procédés physiques ....................................................................................................................... 28
1. Méthodes d’émulsification à haute énergie ............................................................................. 30
1.1. Homogénéisation à haute pression (HPH) ........................................................................ 30
1.2. Emulsification assistée par ultrasons ................................................................................ 33
1.3. Microfluidisation ............................................................................................................... 36
1.4. Emulsification par membrane ........................................................................................... 38
2. Méthodes d’émulsification à faible intensité d’énergie ........................................................... 39
2.1. Emulsification spontanée .................................................................................................. 40
2.2. Température d’inversion de phases (PIT) ......................................................................... 42
2.3. Inversion de phases par la composition (PIC) ................................................................... 45
III. Mécanismes de déstabilisation ................................................................................................. 47
1. Mûrissement d’Ostwald ............................................................................................................ 48
2. Agrégation des gouttelettes ...................................................................................................... 51
1.1. Floculation ......................................................................................................................... 51
1.2. Coalescence ....................................................................................................................... 51
3. Séparation gravitationnelle : Crémage et sédimentation ......................................................... 54
4. Contrôle de la stabilité .............................................................................................................. 56
3.1. Stabilisation électrostatique .............................................................................................. 57
3.2. Stabilisation stérique ......................................................................................................... 57
12
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)3.3. Stabilisation rhéologique ................................................................................................... 57
3.4. Stabilisation électro-stérique ............................................................................................ 58
IV. Propriétés des nanoémulsions et applications en cosmétologie .............................................. 59
1. Avantages et inconvénients des nanoémulsions ...................................................................... 60
1.1. Avantages .......................................................................................................................... 60
1.2. Inconvénients .................................................................................................................... 61
2. Applications des nanoémulsions dans l’industrie cosmétique ................................................. 61
1.1. Soins de la peau ................................................................................................................. 62
2.2. Soins capillaires ................................................................................................................. 70
2.3. Les parfums ....................................................................................................................... 77
CONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................................................................ 81
ANNEXE 1 : LISTE DES EQUATIONS ........................................................................................................ 82
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 84
13
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Schéma d'une gouttelette selon les deux types d'émulsions d’après (5) ............................. 18
Figure 2 : Les différents types de structures de nanoémulsions d’après (13) ...................................... 20
Figure 3 : Structures pouvant être créées grâce à des nanogouttelettes (13)...................................... 21
Figure 4 : Illustration des différents procédés de fabrication de nanoémulsions (27) ......................... 29
Figure 5 : Schéma du fonctionnement d’un homogénéisateur à haute pression,d’après McClements
(2011) (31) ............................................................................................................................................. 32
Figure 6 : Image d'un appareil de sondes à ultrasons ........................................................................... 34
Figure 7 : Effet de la puissance nominale appliquée sur la taille des gouttelettes d'après (43) ........... 35
Figure 8 : Représentation de la microfluidisation d’après (40) ............................................................. 37
Figure 9 : Représentation des deux types de chambre d'interaction d’après (38) ............................... 38
Figure 10 : Représentation du procédé de l'émulsification par membrane d'après (42) ..................... 39
Figure 11 : Illustration du phénomène d'émulsification spontanée d’après Mc Clements 2011 (31) .. 41
Figure 12 : Illustration de la formation de nanoémulsions par la méthode PIT d’après (56) ............... 44
Figure 13 : Illustration de la dépendance en température de la vitesse de coalescence et de la tension
interfaciale lors de la formation de nanoémulsions par la méthode PIT d’après (56).......................... 44
Figure 14 : Illustration de la méthode PIC d'après (53) ......................................................................... 46
Figure 15 : Représentation des différents mécanismes de déstabilisation d’après (6) ........................ 47
Figure 16 : Mûrissement d'Ostwald ...................................................................................................... 49
Figure 17 : Illustration du mûrissement d'Ostwald ............................................................................... 49
Figure 18 : Illustration du phénomène de coalescence ........................................................................ 52
Figure 19 : Présentation des différents types d'agrégation .................................................................. 53
Figure 20 : Illustration des phénomènes de séparation gravitationnelle ............................................. 54
Figure 21 : Influence du pH sur la séparation gravitationnelle dans une émulsion huile-dans-eau
classique (A) et dans une nanoémulsion huile-dans-eau (B) d’après (6) .............................................. 56
Figure 22 : Nombre de familles de brevets concernant les nanoémulsions entre 1994 et 2014 d'après
(76) ........................................................................................................................................................ 59
Figure 23 : Structure de la peau ............................................................................................................ 63
Figure 24 : Représentation des différentes voies de pénétration cutanée d’après (76) ...................... 64
Figure 25 : Solubilité de CoQ10 dans différentes compositions d’après (90) ....................................... 67
Figure 26 : Illustration de l'efficacité anti-rides des préparations sur un modèle animal d’après (90) 68
Figure 27 : La Crème Eclat - EviDenS de beauté (89) ............................................................................ 69
Figure 28 : Structure d'une fibre capillaire ............................................................................................ 71
Figure 29 : Illustration de l'absorption de la nanoémulsion sur la fibre capillaire d'après (95)............ 73
Figure 30 : Images microscopiques avec fluorescence de peau de souris après administration topique
in vivo de contrôle aqueux (a), squarticules de type NLC (b) et squarticules de type NE (c) contenant
du rouge de Nil (0,1%) en tant que colorant pendant 6h d’après (96) ................................................. 75
Figure 31 : MYTHIC OIL de L'Oréal Professionnel (95) .......................................................................... 76
14
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)LISTE DES ANNEXES
Annexe 1 : Liste des équations………………..………………………………………………………………………………………..83
15
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)LISTE DES ABREVIATIONS
DLS : Dynamic Light Scattering
E/H : Eau-dans-Huile
E/H/E : Eau-dans-Huile-dans-Eau
EIP : Emulsion inversion point
H/E : Huile-dans-Eau
H/E/H : Huile-dans-Eau-dans-Huile
HLB : Hydrophilic Lipophilic Balance
HPH : High pressure homogenization
IUPAC : International Union of Pure and Applied Chemistry
NLC : Nanostructured Lipid Carriers
PIC : Phase Inversion Composition
PIT : Phase Inversion Temperature
ROS : reactive oxygen species (dérivés réactifs de l’oxygène)
SC : Stratum Corneum
SE : Spontaneous emulsification
SLN : Solid lipid nanoparticle
VDW : Van Der Waals
16
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)INTRODUCTION
Au cours de la dernière décennie, l’utilisation de dispersions de nanoparticules s’est
avérée prometteuse et se répand dans de nombreux domaines tels que la médecine, l’industrie
pharmaceutique, alimentaire, agrochimique, cosmétique et bien d’autres.
Le marché mondial des nanotechnologies devrait dépasser les 125 milliards de dollars US d’ici
2024 (1). Tandis que celui des nanoémulsions, type particulier de dispersions de nanoparticules,
devrait enregistrer un taux de croissance d’environ 8,8% sur la période de prévision, de 2018 à
2023 (2).
Grâce à leurs propriétés uniques résultant de la taille des gouttelettes, elles constituent des
systèmes intéressants dans l’industrie pharmaceutique en améliorant considérablement la
biodisponibilité des médicaments hydrophobes. Leur stabilité et leurs propriétés chimiques
favorisent l'adoption de thérapies ciblées et de procédures peu invasives (2).
Outre l’industrie pharmaceutique, l’utilisation des nanoémulsions est également très
intéressante en cosmétologie. En effet, le groupe numéro un mondial, L’Oréal, a investi 17
milliards de dollars dans les nanotechnologies, et obtient le sixième rang aux Etats-Unis dû aux
nombreux brevets les concernant ainsi que la production de produits déjà mis sur le marché,
issus de ces techniques (3).
L’émergence des connaissances des nanoémulsions et des perspectives dans différents
domaines, notamment en cosmétologie, m’a fortement intéressée ce qui m’a permis de réaliser
ce travail de thèse. Ce manuscrit se décompose en 4 parties, après une description des
nanoémulsions, les différentes méthodes employées pour les fabriquer seront décrites, puis les
mécanismes pouvant les déstabiliser et enfin, leurs propriétés et les différentes applications
possibles en cosmétique seront présentées.
17
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)I. Formulation des nanoémulsions
ͳǤ ±
Afin de mieux comprendre en quoi consiste une nanoémulsion, il est nécessaire de rappeler en
premier lieu sa définition. Selon l’IUPAC (4), une émulsion est une dispersion de gouttelettes
d’un liquide ou d’un cristal liquide dans une phase continue d’un autre liquide, non miscibles
entre eux. Les deux phases peuvent être mélangées entre elles grâce à un apport d’énergie et un
tensioactif. Ce sont des systèmes thermodynamiquement instables et cinétiquement stables. Les
émulsions sont utilisées dans divers domaines, au sein de notre quotidien comme le lait, la
mayonnaise mais aussi le bitume qui en fait partie.
Il existe deux types d’émulsions : huile dans eau (H/E) ou eau dans huile (E/H). Les émulsions
H/E sont constituées de petites gouttelettes d'huile dispersées dans un milieu aqueux, tandis que
les émulsions E/H sont constituées de petites gouttelettes d'eau dispersées dans un milieu
huileux (Figure 1).
eau
huile eau
huile
Emulsion huile-dans-eau Emulsion eau-dans-huile
(H/E) (E/H)
Figure 1 : Schéma d'une gouttelette selon les deux types d'émulsions d’après (5)
Les nanoémulsions sont des émulsions dans laquelle les gouttelettes ont un diamètre de l’ordre
du nanomètre et plus précisément variant de 20 nm à 200 nm selon les publications (6–8). Les
nanoémulsions peuvent également être appelées « mini-émulsions » (9), « émulsions ultra
fines » (10) et « émulsions submicroniques » (11).
Ce sont donc des dispersions colloïdales, de petites gouttelettes de liquide non miscible dans
un autre liquide non miscible. Les deux liquides utilisés habituellement sont l’huile et l’eau.
18
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Ainsi, les nanoémulsions sont généralement composée d’huile, d’eau et d’un tensioactif.
L’ajout du tensioactif est une étape primordiale dans la formation des gouttelettes permettant
ainsi de diminuer la tension interfaciale entre les deux phases, et favorisant la stabilisation de
la nanoémulsion grâce aux interactions répulsives et à l’encombrement stérique.
Bien que très différentes d’un point de vue physico-chimique, les nanoémulsions sont parfois
confondues avec les microémulsions. Les microémulsions sont des systèmes
thermodynamiquement stables, contrairement aux nanoémulsions qui sont des systèmes
cinétiquement stables ayant besoin d’un apport d’énergie pour se former. Le faible diamètre de
leurs gouttelettes leur confère une grande stabilité cinétique, ainsi leur structure peut ne pas être
modifiée sur une longue période bien qu’elles soient thermodynamiquement instables. De plus,
la concentration nécessaire en tensioactifs pour stabiliser les nanoémulsions est faible (3-10%
by weight) comparée à celle des microémulsions (20% by weight) (12).
Depuis les années 80, les industries pharmaceutiques et cosmétiques développent un intérêt
majeur pour ces techniques dues à leurs propriétés sensorielles et biophysiques particulièrement
intéressantes.
En effet, leur petite taille leur permet d’avoir des propriétés nettement avantageuses dont nous
reparlons plus loin dans ce travail, en voici quelques exemples :
x Une surface élevée par unité de volume
x Une meilleure stabilité face aux phénomènes de gravité en raison de la petite taille des
gouttelettes
x De bonnes propriétés d’apparence et de texture
x De bonnes propriétés de transport d’actifs grâce à une meilleure pénétration cutanée.
x Un effet réservoir
x Une rhéologie maîtrisée.
19
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)ʹǤ ±±
Tout comme les émulsions, il existe plusieurs types de nanoémulsions. Les
nanoémulsions H/E sont plus couramment utilisées que les E/H (Figure 2), c’est pourquoi nous
nous sommes plus particulièrement intéressés à ce type de nanoémulsions au cours de ce travail.
Les gouttelettes dans les nanoémulsions H/E sont généralement stabilisées par un tensioactif
hydrophile, contrairement aux nanoémulsions E/H qui sont stabilisées par un tensioactif
lipophile. La nature du tensioactif présent à l'interface huile-eau joue un rôle essentiel dans la
détermination des propriétés des nanoémulsions et il doit être sélectionné spécifiquement en
fonction de l’application destinée (13).
Eau-dans-huile Huile-dans-eau Eau-dans-huile-dans-eau Huile-dans-eau-dans-huile
(E /H) (H/E) (E/H/E) (H/E/H)
Nanoémulsions simples Nanomulsions multiples
Figure 2 : Les différents types de structures de nanoémulsions d’après (13)
Les nanoémulsions (H/E) peuvent également être utilisées comme matrices pour former d'autres
types de dispersions structurées de nanoparticules (Figure 3), telles que des nanoparticules
lipidiques solides (SLN), des microclusters et des émulsions multiples. Les nanoémulsions sont
alors utilisées comme des « blocs de construction ». Le produit final n’est alors pas
nanométrique, mais une partie des éléments qui le composent le sont.
20
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Figure 3 : Structures pouvant être créées grâce à des nanogouttelettes (13)
Une émulsion multiple est généralement produite en deux étapes.
Prenons par exemple le cas de la production d’une émulsion E/H/E : Celle-ci est formée en
constituant initialement une nanoémulsion E/H par homogénéisation d’une phase aqueuse avec
une phase huileuse contenant un agent tensioactif lipophile, puis cette nanoémulsion est
dispersée dans une phase aqueuse contenant un agent tensioactif hydrophile.
Les émulsions multiples présentent des avantages pour certaines applications, tels que la
protection d'une substance hydrophile vis à vis d’une phase aqueuse externe, le contrôle de la
libération d'une substance hydrophile, la réduction de la saveur d'une substance hydrophile
(amertume ou astringence) contenu dans le système (14).
Les nanoémulsions peuvent aussi être utilisées comme éléments constitutifs d'autres types de
structures, comme pour les hydrogels chargés (Figure 3).
Cela a, par exemple, été décrit par Zeeb et al (15). Tout d’abord, des nanoémulsions composées
des constituants suivants : triglycérides à chaîne moyenne, Tween 60 (Polysorbate 60),
curcumine et tampon phosphate ; ont été préparées en utilisant soit une homogénéisation à basse
énergie (émulsification spontanée) soit à haute énergie (microfluidisation). Dans un deuxième
temps, les nanoémulsions ont été mélangées à des solutions d’alginate (0,25 à 1,5%), puis le
mélange obtenu a été versé goutte à goutte dans des solutions de calcium (10 à 500 mM) pour
former des billes d’hydrogel remplies. Les hydrogels, une fois remplis, peuvent être conçus
pour encapsuler, protéger et libérer des composants bioactifs en modifiant leurs dimensions,
leur composition interne ou leur structure.
21
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Ceci peut être réalisé en modifiant le procédé de fabrication utilisé et le type et/ou la
concentration de biopolymères et d'agents de réticulation utilisés. De plus, les propriétés des
gouttelettes lipidiques piégées à l'intérieur des hydrogels peuvent également être maitrisées,
telles que leur taille, leur concentration, leur composition ou encore leur charge.
Enfin, les nanoémulsions peuvent également être utilisées pour créer des colloïdosomes ou des
microclusters (Figure 3). Un colloïdosome est constitué d'une grosse particule centrale avec des
particules plus petites adsorbées à sa surface, alors qu'un microcluster est constitué d'un certain
nombre de particules plus petites maintenues ensemble par des forces attractives (13).
L’objectif de créer ces différentes structures à partir de nanoémulsions est de modifier les
propriétés rhéologiques, optiques ou de stabilité de matériaux divers ou de les utiliser pour des
applications à libération contrôlée.
͵Ǥ ±± Ǧ ±
Les nanoémulsions sont de plus en plus utilisés dans de nombreux domaines grâce à
leurs propriétés physico-chimiques très intéressantes c’est-à-dire grâce à leur apparence et leur
stabilité ainsi que leurs propriétés rhéologiques.
3.1. Apparence
L’apparence d’un produit a une forte influence sur la première impression que va avoir le
consommateur et peut avoir un fort impact sur l’action d’achat. Les nanoémulsions, grâce à leur
aspect visuel peuvent être plus intéressantes que les émulsions classiques.
En effet, leur utilisation permet la création de produits transparents, les gouttelettes étant petites
(dLe faible diamètre des gouttelettes influence également les propriétés rhéologiques des
nanoémulsions, en effet, grâce à ce paramètre, elles vont avoir une très faible viscosité,
semblable à l’eau. Les produits auront donc un aspect fluide.
Il est malgré tout possible d’adapter les propriétés rhéologiques d’une nanoémulsion. Ainsi, la
viscosité augmentera si l’on augmente la fraction volumique de phase dispersée (16), soit en
augmentant la concentration de la phase huileuse ou en ajoutant un agent épaississant ou un
gélifiant (17). Enfin, d’après Mason et al (18), plus il y a d’interactions répulsives entre les
gouttelettes, plus la texture du produit sera semblable à celle d’un gel élastique, mais le produit
sera également plus fragile.
3.3. Stabilité
Ce dernier point est un autre avantage des nanoémulsions. Ces produits ont une longue stabilité
comparée à celle des émulsions. Grâce à la faible taille des gouttelettes, elles sont bien moins
sujettes aux phénomènes de séparation gravitationnelle.
De plus, les phénomènes d’agrégation des gouttelettes sont également réduits, étant donné qu’il
y a moins d’attractions de Van der Waals.
Le principal mécanisme d’instabilité que peuvent subir les nanoémulsions est le mûrissement
d’Ostwald.
Les différents mécanismes d’instabilité et les moyens de les éviter seront détaillés dans la partie
III.
ͶǤ ±
La température est un paramètre important à prendre en compte lors de la préparation
d’une nanoémulsion. En effet, celle-ci influence la viscosité des phases dispersée et continue
(19). Une étude menée par Oh et al (20) a montré que la tension interfaciale entre les deux
23
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)phases changeait à une température plus élevée; par conséquent, il est donc important d'étudier
l'impact de la température sur la distribution de la taille des gouttelettes. Ces observations ont
été faites en utilisant des nanoémulsions stabilisées par des tensioactifs de type polysorbate. Il
semblerait qu’une augmentation de température de 25 °C à 35 °C entraînerait une diminution
de la taille des particules mais une augmentation de la distribution de leur taille. Différentes
hypothèses ont été émises concernant l’origine de ce phénomène qui pourrait être liées au
grossissement pouvant être causé par le mûrissement d'Ostwald ou encore par un phénomène
de coalescence (16,21). La fluctuation de la tension interfaciale résultant de l'augmentation de
la température pourrait expliquer la faible uniformité des gouttelettes d'émulsion formées
(22,23).
Une autre étude, menée par Teo et al (24) a étudié l’influence de la température et du
pH sur les nanoémulsions.
Des nanoémulsions H/E ont été préparées par la technique d’émulsification et d’évaporation de
solvent en utilisant des isolats de protéines de lactosérum, de la lactoferrine et Tween
(polysorbate 20) comme agents émulsifiants. L’influence du pH et de la température a ensuite
été étudiée. L’effet du traitement thermique a été étudié en chauffant les échantillons dans des
bains-marie à différentes températures (30, 40, 50, 60, 70, 80 et 90°C) pendant 15 min. Après
chauffage, les échantillons ont ensuite été refroidis en les plaçant dans un bain d'eau glacée.
L’influence du pH a été déterminée en l’ajustant à différentes valeurs (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et
10) en utilisant différentes concentrations de solutions de HCl ou de NaOH.
L'effet de la température sur la stabilité des nanoémulsions préparées avec une concentration
de tensioactif de 1% a été examiné. La taille des gouttelettes et le potentiel ζ (présence d’une
charge sur les gouttelettes) des échantillons ont été mesurés après un jour de stockage et à
température ambiante. Selon l’agent émulsifiant utilisé, la température influence plus ou moins
la stabilité des nanoémulsions. Par exemple, dans le cas des émulsions stabilisées par Tween
20, une augmentation de la taille des gouttelettes a notamment été observée à 90 °C.
Cela peut être lié à l’apparition de coalescence à une température proche de la température
d'inversion de phase (PIT) de Tween 20. Ce point correspond à la température à laquelle la
solution de tensioactif devient insoluble et entraînant ainsi une séparation de phase en raison de
la déshydratation du groupe de tête des molécules de tensioactif. Ces résultats suggèrent que
les nanoémulsions stabilisées par les protéines de lactosérum ou par la lactoferrine ont de
24
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)meilleures stabilités thermiques que celles stabilisées par le polysorbate 20. Il faudra donc
privilégier les deux premiers tensioactifs dans le cas de formulation de nanoémulsions
nécessitant de résister au traitement thermique.
L’influence du pH a également été étudié dans cette étude. Le pH des nanoémulsions
stabilisées par les différents tensioactifs a été ajusté à plusieurs valeurs de pH allant de 2 à 10.
Les observations visuelles ont montré que les nanoémulsions stabilisées par les protéines de
lactosérum étaient stables à toutes les valeurs de pH, à l'exception des pH 4,5 et 5, qui sont les
valeurs proches du point isoélectrique (pI) de 4,9 des protéines de lactosérum. Les mesures de
la taille des particules ont montré que les gouttelettes d'huile restaient petites à un pH inférieur
ou supérieur au pi mais qu'il y avait une augmentation marquée de la taille des particules à des
valeurs de pH proches du pI. En effet, les nanoémulsions stabilisées par les protéines de
lactosérum sont stabilisées par répulsion électrostatique mais tendent à former des agrégats via
des attractions hydrophobes et des interactions de van der Waals lorsque la répulsion
électrostatique n’est pas assez forte pour vaincre ces forces attractives à un pH proche du pI
(25). Cela a été confirmé par les mesures du potentiel ζ, car les charges nettes électriques des
gouttelettes étaient faibles au pI mais devenaient fortement positives à un pH inférieur ou ou
négatives à un pH supérieur au pI. Concernant les nanoémulsions stabilisées avec la
lactoferrine, il a été montré qu’elles étaient stables dans la plage de pH de 2 à 6. En effet, une
agrégation de gouttelettes a été observée à des pH plus élevés, entre 7 et 9, ces valeurs étant
proches du pI de la lactoferrine. Dans l’étude citée, l’agrégation des gouttelettes n’a pas toujours
été observée, probablement car la stabilité peut être maintenue par les forces de répulsion
électrostatiques et stériques. En effet, la lactoferrine est une glycoprotéine avec des fractions
glucidiques qui stabilise les émulsions contre l’agrégation par une combinaison de répulsion
électrostatique et stérique. Les nanoémulsions stabilisées par le polysorbate 20 ont été montré
comme également stables aux variations de pH, la taille des particules n’a pas augmenté dans
la plage de pH étudiée. En effet, le Tween 20 est un surfactant non ionique et la stabilité des
émulsions n’est donc pas affectée par les variations de pH.
Ainsi la stabilité des nanoémulsions peut être influencée par les variations de
température et de pH. Il peut donc être nécessaire d’améliorer la stabilité chimique des
composés, en ajoutant, par exemple, des antioxydants ou des agents de chélation (26).
25
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Enfin, il est également nécessaire de prendre en compte la composition de la préparation. En
effet, l’utilisation de certains agents peut, par exemple, permettre d’éviter l’apparition de
phénomènes de déstabilisation, comme nous le décrirons plus tard dans ce manuscrit.
ͷǤ Ø
Un aspect indispensable à prendre en compte lors de la préparation des nanoémulsions
est le contrôle de la taille finale des gouttelettes. La taille des gouttelettes peut être influencée
par plusieurs paramètres comme la viscosité, la concentration en tensioactif ou la longueur du
tensioactif. L’état physique des gouttelettes lipidiques modifie la densité ou l’indice de
réfraction, et par conséquent, la stabilité et les propriétés optiques de crémage des
nanoémulsions (27).
Dans la plupart des nanoémulsions huile dans eau, les gouttelettes d’huile sont liquides,
cependant il est possible de former des gouttelettes d’huile totalement ou partiellement
cristallisées en faisant varier la composition ou la température de la phase huileuse.
Par exemple, une nanoémulsion contenant des gouttelettes liquides peut être préparée à une
température supérieure au point de fusion de la phase huileuse, si le système est ensuite refroidi
à une température inférieure à celle du point de fusion, les gouttelettes pourront alors
cristallisées.
Ainsi, l’état physique des gouttelettes influence les propriétés physico-chimiques et il est
nécessaire de contrôler ce facteur.
26
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Les nanoémulsions sont des systèmes à la fois non irritants et non toxiques, elles sont
souvent utilisées comme alternative aux liposomes. Cependant, même si ces dernières
possèdent de nombreux avantages, elles présentent certaines limites : ce sont des systèmes de
nature assez fragiles, qui peuvent, par exemple, devenir opaques, lorsqu’un phénomène de
crémage survient. Il existe plusieurs phénomènes de déstabilisation, parmi lesquels les
principaux sont les suivants : le mûrissement d’Ostwald, la coalescence et la floculation. En
revanche, les nanoémulsions restent stables face aux phénomènes de gravité. Ces processus
seront détaillés plus loin dans ce manuscrit.
Les nanoémulsions sont également sensibles face aux facteurs environnementaux tels que le
pH ou la température, comme décrit précédemment. Enfin, leur fabrication nécessite des
appareils très spécifiques, relativement coûteux. Ce sont toutefois des structures facilement
productibles à grande échelle et adaptées à de nombreuses applications. C’est de ce dernier
point dont nous allons maintenant traiter.
27
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)II. Procédés physiques
Comme nous l’avons déjà évoqué en première partie, les nanoémulsions n’ont pas la
capacité de se former spontanément, et nécessitent un apport d’énergie.
Il existe plusieurs techniques de fabrication pouvant être utilisées pour créer des nanoémulsions,
elles sont divisées en deux catégories qui seront détaillées par la suite (12, 22) :
- Les méthodes à faible énergie qui s’appuient sur des principes de physico-chimie et qui
requièrent peu d’énergie ;
- Les méthodes à haute énergie qui reposent sur l’utilisation d’intenses forces
perturbatrices, générées par des appareils mécaniques et entraînant un fort taux de
cisaillement, afin de casser les gouttelettes d’huile.
Le choix d'une technologie d'homogénéisation appropriée pour la production constante de
nanoémulsions (NE) avec des caractéristiques de gouttelettes bien définies est l'une des étapes
les plus importantes de nombreuses applications commerciales (28).
La densité d’énergie minimale (J/m3) nécessaire pour obtenir une nanoémulsion composée de
gouttelettes de taille a (m) peut être définie par l’équation suivante (29) :
ߝ ൌ ͵ߛ߮ௗଷ Ȁܽ
Équation 1 : Densité d’énergie minimale nécessaire pour la préparation de nanoémulsions
γ (N/m) correspond à la tension interfaciale entre la phase aqueuse et la phase huileuse et φd
(sans unité) correspond à la fraction volumique de la phase dispersée.
Les méthodes à haute énergie sont aujourd’hui les plus utilisées pour la production des
nanoémulsions à l’échelle industrielle. Ces méthodes utilisent des dispositifs mécaniques
spécialement conçus pour briser et mélanger les phases huileuse et aqueuse en générant des
profils de flux de cisaillement, de turbulence et de cavitation intenses (12).
Les méthodes à haute énergie les plus couramment utilisées sont l’homogénéisation à haute
pression, la microfluidisation et la sonication. L’homogénéisation à haute pression et la
microfluidisation étant les plus répandues. D’un point de vue pratique, il est en effet possible
de les utiliser à la fois en laboratoire et à l’échelle industrielle (30).
28
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Les méthodes à basse énergie s’appuient sur le principe de génération spontanée de petites
gouttelettes dans certains mélanges, lorsque les conditions de composition du système ou de
l’environnement (comme la température) sont modifiées. Les procédés à faible énergie les plus
utilisés sont les méthodes d’inversion de phase, d’émulsification spontanée et les méthodes de
point d’inversion de l’émulsion qui s’appuient notamment sur les effets dus aux changements
de température.
L’émulsification à membrane est une autre technique particulière qui peut être utilisée pour la
production des nanoémulsions, c’est une technique avec une faible utilisation d’énergie (31).
Tous ces différents procédés seront décrits dans la suite de cette partie.
Le choix d’un procédé de fabrication dépend de la nature des matériaux à homogénéiser
(notamment l’huile et les tensioactifs) et des caractéristiques physico-chimiques et fonctionnels
souhaités du produit final (optique, rhéologie, stabilité, libération…).
Méthodes d’émulsification à haute
énergie
Homogénéisateur à haute
pression
H/E macroémulsion nanoémulsion
ultrasonication
Méthodes d’émulsification à basse
énergie
tensioactif
nanoémulsion
eau huile
Figure 4 : Illustration des différents procédés de fabrication de nanoémulsions (27)
29
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Quelle que soit la catégorie de la technique de fabrication choisie, la préparation d’une
macroémulsion constitue toujours la première étape suivie par la formation de la nanoémulsion.
Dans le cas des méthodes d’émulsification à haute énergie, il est nécessaire d’apporter entre 108
et 1010 W.kg-1 d’énergie et dans le cas des méthodes à faible énergie, environ 103 W.kg-1 (27).
ͳǤ ±ǯ± ±
Dans le cas des procédés à haute utilisation d’énergie, les nanoémulsions sont
émulsifiées grâce à des appareils mécaniques qui vont désorganiser et mélanger les phases
huileuse et aqueuse et permettre la formation de très fines gouttes dispersées dans l’eau. Ce type
d’appareil peut également être utilisé dans la fabrication de macroémulsions.
Cette première catégorie de procédés de fabrication nécessite la mise en œuvre d’une force
intense visant à diviser la phase huileuse en petites gouttes dispersées dans la phase aqueuse.
Ces procédés nécessitent en général un matériel spécifique couteux et utilisent une importante
quantité d’énergie à l’échelle industrielle.
1.1. Homogénéisation à haute pression (HPH)
La méthode de l’homogénéisation à haute pression est la plus couramment utilisée dans
les procédés industriels pour produire de fines gouttelettes. Cette technique a été mise au point
par August Gaulin au début des années 1900 pour réduire la taille des globules gras dans le lait
afin d'accroître la stabilité et la durée de conservation (32).
La HPH présente deux avantages principaux par rapport aux autres méthodes d'émulsification
à haute énergie :
- Une production élevée de stress locaux
- Adaptée pour une production continue (33)
Grâce à ces deux avantages, la HPH est encore largement utilisée, notamment, dans la
production laitière. Cependant, elle est également très utilisée dans d’autres industries telles que
les industries alimentaire, pharmaceutique, cosmétique et chimique.
30
GUIRAND
(CC BY-NC-ND 2.0)Vous pouvez aussi lire
