WO2024121157A1 - Procédé de thermoformage de microreliefs sur feuille en polymère à basse tg - Google Patents

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WO2024121157A1
WO2024121157A1 PCT/EP2023/084360 EP2023084360W WO2024121157A1 WO 2024121157 A1 WO2024121157 A1 WO 2024121157A1 EP 2023084360 W EP2023084360 W EP 2023084360W WO 2024121157 A1 WO2024121157 A1 WO 2024121157A1
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mold
sheet
equal
temperature
polymeric material
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PCT/EP2023/084360
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Cédric Ducros
Simon CHARLOT
Mehrsa RAFIE JIRDEHI
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of a sheet provided with micro-reliefs and made of a polymer material with a low glass transition temperature, preferably biosourced,
  • microreliefs for example microtips or microlenses
  • a height generally between 500 and 1000 pm and having an aspect ratio greater than 1.
  • devices which comprise such substrates, and which are intended to be brought into contact with the skin to introduce a substance into the body.
  • microtips penetrate the epidermis without causing pain since they do not reach the innervated areas due to their low height.
  • it is known to increase the permeability of the skin by means of microtips, generating pores in the superficial areas of the epidermis, which facilitates the delivery of the substance to these areas.
  • the substance can either be applied to the microtips before perforation or be applied after perforation by the micropores by simple diffusion or by iontophoresis, i.e. by means of an electric field.
  • microreliefs The manufacturing techniques and materials known to make microreliefs are numerous as described in the article “A Comprehensive Review of Microneedles: Types, Materials, Processes, Characterizations and Applications”, Faisal Khaled Aldawood, Abhay Andar and Salil Desai, Polymers 2021, 13, 2815, doi:10.3390/polyml3162815.
  • arrays of microreliefs of varied shapes by photolithography or by micromachining in a substrate made of a metal or a semiconductor.
  • these techniques are expensive and restrictive to implement on an industrial scale.
  • Microtips made of polymeric materials such as poly-(lactic acid), poly-(glycolic acid), poly-(lactic-co-glycolic acid), known by the acronyms PLA, PGA and PLGA respectively, exhibit excellent biocompatibility and low toxicity which makes them particularly well suited to medical application.
  • the known techniques more suitable are the injection molding of the molten polymeric material and the stamping of a sheet made of the polymeric material, as described in "A Review on Microfabrication of Thermoplastic Polymer-Based Microneedle Arrays", Herwig Juster, Bart van der Aar, Hans de Brouwer, Polym. Eng. Sci., 59:877-890, 2019, doi: 10.1002/pen.25078.
  • the LIGA method acronym in German for “Lithographie, Galvanoformung and Abformung” is known. It involves the manufacture of a blank comprising a relief network in the shape of a point by a lithography method by laser A metal mold is then produced by replicating the blank by applying a metal layer to the raised surface of the blank. The mold is separated by shrinkage from the blank during replication, then a. Polymeric sheet is stamped on the mold.
  • LIGA method acronym in German for “Lithographie, Galvanoformung and Abformung” is known. It involves the manufacture of a blank comprising a relief network in the shape of a point by a lithography method by laser A metal mold is then produced by replicating the blank by applying a metal layer to the raised surface of the blank. The mold is separated by shrinkage from the blank during replication, then a. Polymeric sheet is stamped on the mold.
  • only simple shapes can be obtained by the LIGA method.
  • mold manufacturing methods are micro-milling, micro-grinding, electroerosion machining and laser percussion drilling which make it possible to produce molds of complex shape, in particular with form factors greater than 5.
  • the quality of the microtips obtained depends mainly on the ability of the polymeric material to be fine-tuned to fill the reliefs. This ability is conditioned by many factors, including the temperature of the polymeric material, the temperature of the mold, the temperature of the stamping punch and the duration of injection or stamping where applicable. However, a small variation in one of these parameters can significantly impact the quality of the microtips obtained.
  • the invention proposes a process for thermoforming a sheet made of a polymeric material having a glass transition temperature T g less than or equal to 120°C, the process comprising heating the sheet to a heating temperature greater than T g and the application to one side of the sheet of a gas pressure between 2 MPa and 12 MPa to deform the sheet against a mold comprising a mold relief having a height between 100 pm and 1000 m.
  • thermoforming process according to the invention by applying high pressure to a sheet whose deformability is optimal above the glass transition temperature, makes it possible to obtain at least one microrelief which has a substantially complementary shape. of the mold shape.
  • the method according to the invention has more particularly the advantage compared to the methods of the prior art, of making it possible to control the thickness of the deformed sheet at the bottom or at the top of the mold relief, that said mold relief either hollow or protruding respectively.
  • the glass transition temperature can be determined by differential scanning calorimetry, for example using the STA449 reference calorimeter sold by the company Netzsch® and the associated measurement data processing software.
  • the polymeric material is biosourced.
  • a “biosourced” material is obtained from an organic raw material, of animal or, preferably, plant origin, treated by a process other than a petrochemical process.
  • the polymeric material is biocompatible.
  • a “biocompatible” material is tolerated by a human or animal organism without its interaction with the biological tissues of the organism causing pathology.
  • the polymeric material may also be bioresorbable.
  • the polymeric material is chosen from poly-(lactic acid), poly-(glycolic acid), poly-(lactic-co-glycolic acid) and mixtures thereof.
  • the polymeric material is poly-(lactic acid).
  • Poly-(lactic acid) can be biosourced, for example obtained from corn and/or molasses, in particular from sugar cane.
  • the polymeric material may be amorphous.
  • the polymeric material may be semi-crystalline, the heating temperature being lower than the melting temperature of the polymeric material, preferably between 60°C and 120°C.
  • the crystallization and melting temperature of the polymeric material can be determined by differential calorimetry at scanning, for example by means of the device described above for determining the glass transition temperature.
  • a semi-crystalline polymer material facilitates the formation of at least one necking zone in the sheet during its shaping.
  • the modulus of elasticity and/or the breaking stress of the polymeric material are thus increased locally within the necking zone(s), which improves the mechanical and/or optical properties of the microreliefs.
  • a necking zone has, for example, an elongation greater than 30%.
  • the glass transition temperature may be above 60°C and/or below 100°C.
  • the sheet may have a length and/or width greater than 10 mm, preferably greater than 50 mm, preferably greater than 100 mm, or even greater than 200 mm, better still greater than 300 mm. For example, it has a length of 380 mm and a width of 320 mm. A sheet of such dimensions thus allows the production of several thousand microreliefs and is therefore perfectly suited to industrial mass production.
  • the sheet has a thickness less than or equal to 250 pm, preferably less than or equal to 150 pm, preferably less than or equal to 100 pm, preferably less than or equal to 75 pm and/or greater than or equal to 20 pm , notably from 50 pm.
  • Heating is preferably carried out before the application of gas pressure.
  • the heating can be carried out in a heating unit and the gas pressure is applied in a forming unit remote from the heating unit, the method comprising a transfer step between the heating unit and the unit formatting.
  • the duration between the end of heating and the start of application of pressure is preferably less than 5 s in order to prevent the sheet from cooling.
  • the sheet is preferably heated by at least one radiative heating element, emitting for example in the infrared.
  • the method may include measuring at least one temperature of the sheet, for example by means of a thermal camera, and controlling the temperature and/or the heat flow emitted by the heating element from the measurement. of the leaf temperature.
  • the temperature of the sheet can be regulated to a set temperature.
  • the sheet is heated by several radiative heating elements, in particular arranged on either side of the opposite faces of the sheet.
  • the heating elements are preferably arranged in such a way as to completely heat the sheet, and preferably so that the temperature of the sheet is homogeneous, that is to say that it varies at most 4 ° C between two zones of leaf. They are for example arranged in a grid superimposed on the sheet.
  • the heating elements can be controlled independently of each other to each emit a suitable heat flow towards a portion of the sheet.
  • the method may include the measurement of at least one temperature per zone of the sheet covered by a heating element and the control of the temperature and/or the heat flow emitted by the corresponding heating element from the measurement of the temperature.
  • the temperature of each zone of the sheet can be regulated independently at the same set temperature.
  • the temperature of the sheet reached during heating is chosen as a function of the temperature dependence of the mechanical properties, in particular the modulus of elasticity, of the polymeric material, so that the sheet can be deformed during the placing step. uniformly shaped.
  • the heating temperature of the sheet is less than or equal to T g + 30 °C, preferably between T g + 15 °C and T g + 20 °C. It can be measured on the sheet with a thermal camera.
  • the heating time of the sheet can be between 5 s and 30 s.
  • the application of gas pressure preferably includes a gas blowing phase to increase the gas pressure until the nominal gas pressure is reached.
  • the gas can be chosen from a neutral gas, air and their mixtures.
  • the gas is air.
  • the nominal gas pressure is between 2 MPa and 10 MPa.
  • the duration of the blowing phase is preferably less than or equal to 5.0 s, preferably less than or equal to 1.0 s, for example 0.5 s, in order to limit the cooling of the sheet and to limit, if necessary, the friction of the sheet against the mold which can take place during the blowing phase and which can influence the quality of the micro-relief(s) formed on the sheet.
  • the method preferably further comprises a phase of maintaining the nominal gas pressure, following the gas blowing phase, in order to press the sheet against the mold and form at least one micro-relief against the mold relief.
  • the nominal gas pressure is applied for a holding time of less than 20 s, preferably between 1 s and 6 s.
  • the gas temperature is between T g - 10 °C and T g + 140 °C, during the blowing phase and/or during the phase of maintaining the nominal gas pressure.
  • it is between T g + 10 ° C and T g + 40 ° C, so as to ensure that the temperature of the sheet is higher than the glass transition temperature of the polymeric material during blowing and/or placing. in the shape of the leaf respectively.
  • the temperature of the mold is preferably between T g - 35 °C and T g + 70 °C, preferably between T g - 10 °C and T g + 10 °C. Preferably, it is less than T g , in order to avoid the polymeric material grinding against the mold during the phase of maintaining the nominal gas pressure.
  • the mold relief can be recessed or protruding.
  • the mold relief may have the shape of a portion of a sphere, in particular a hemispherical shape, so as to form a micro-relief in the sheet in the form of a lens.
  • the mold relief in particular in order to form a microrelief in the form of a microtip, preferably has an aspect ratio greater than 1, preferably greater than 2, or even greater than 5, better still greater than 10.
  • the “aspect ratio” of a mold relief is the ratio of the height of the mold relief to the width of the mold relief.
  • the “height” of the mold relief is equal to the depth of said mold relief when this mold relief is hollow.
  • the height of the relief can be less than or equal to 900 pm, or even less than or equal to 800 pm.
  • the “width” of a mold relief corresponds, in the transverse section located halfway up said relief, to the diameter of the smallest circle circumscribed by said relief in said transverse section.
  • the width of the mold relief can be less than or equal to 1 mm, from preferably less than or equal to 500 uni. or even less than or equal to 300 uni. or even less than 200 pm.
  • the mold relief may have a shape chosen from a cone, a truncated cone, in particular beveled, a cylinder of revolution, in particular beveled, a pointed pencil shape comprising a cylinder of revolution surmounted by a point, in particular conical.
  • the mold relief may have a point, when it is protruding, or a bottom, when it is recessed, having a point radius of between 1 and 10 pm.
  • the mold relief is projecting and has at its base a hole passing right through the bottom of the mold towards a gas evacuation vent, the hole preferably having a diameter less than 50 ⁇ m.
  • the mold relief can be hollow and have a bottom opening into a cavity extending the mold relief through a hole.
  • a pocket of gas trapped between the sheet and the mold can fill the cavity, which prevents the pressure induced by this pocket from preventing the polymeric material from settling against the bottom of the mold relief.
  • the hole has a diameter of less than 100 ⁇ m to avoid thinning of the polymeric material in the hole.
  • the mold preferably comprises a plurality of mold reliefs. It may include recessed mold reliefs and projecting mold reliefs. It may include mold reliefs of a first shape and reliefs of a second shape.
  • the mold reliefs can be arranged periodically in at least one, preferably two orthogonal directions on the surface of the mold, so as to form a network of microreliefs on the face of the shaped sheet.
  • the mold may include at least one recessed relief, or even only recessed mold reliefs.
  • the mold may include vents, for example crossing it from side to side, in order to purge air pockets forming during the application of the nominal gas pressure, between the sheet and the mold.
  • the sheet is made of poly-(lactic acid) and has a thickness of between 40 pm and 200 pm, preferably 50 pm. It is heated to a temperature above 60°C, preferably between 70°C and 110°C.
  • the mold temperature is between 25°C and 130°C, preferably between 50°C and 70°C, and preferably below 60°C.
  • the temperature of the gas, preferably the air, during blowing and maintaining pressure is between 50°C and 200°C, preferably between 70°C and 100°C.
  • the invention finally relates to a device comprising a thermoformed sheet obtained by the method according to the invention, the device being chosen from a transdermal patch or a matrix of microlenses.
  • FIG. 1 schematically illustrates an example of implementation of the invention
  • FIG. 2 is a cutaway of an enlargement of a schematic transverse section of a mold according to an example of implementation of the method according to the invention
  • FIG. 3 represents a perspective view of a mold comprising mold reliefs of different shapes
  • FIG. 4 illustrates different shapes of mold reliefs
  • FIG. 5 is a photograph of a mold for an example of implementation of the method according to the invention.
  • FIG 6] a) to c) are photographs of different microrelief patterns formed by the method according to the invention.
  • FIG.7], FIG. 8], [Fig. 10] and [Fig. 12] are photographs of microreliefs obtained from the process according to the invention according to different process parameters.
  • FIG. 9 and FIG. 11 are graphs representing different kinetics of rise and maintenance at the nominal pressure followed by depressurization.
  • a sheet 2 of a polymeric material having a lower glass transition temperature Tg or equal to 120°C is heated by means of radiative heating elements 3, each radiative element emitting a heat flow towards a zone 4 of the sheet.
  • the temperature of each zone of the sheet is measured by means of a thermal probe 5 and the temperature of each radiative element can be modified so that the temperature in the sheet is homogeneous, that is to say that the temperatures of the different zones are substantially equal.
  • heating can be carried out using an array of 6x7 heating elements.
  • the sheet once heated, is transferred to a shaping unit 6, as illustrated in Figure 1 b).
  • the sheets are heated one after the other in the heating unit then transferred to the shaping unit.
  • a film can be unrolled then heated while moving in the heating unit before being transferred to the shaping unit.
  • the sheet 2 is placed between a mold 7 and a bell 8 by means of positioning pins 18, visible in Figure 5.
  • the mold 7 includes a plurality of mold reliefs 9 which project from the bottom 10 of the mold.
  • the bell 8 is then hermetically closed on the mold, as illustrated in Figure 1 c), such that the mold 8 and the bell 9 pinch the periphery 11 of the sheet in order to ensure airtightness.
  • Air at a temperature of at least 50°C is then blown by means of an air compressor 12 into the bell on the sheet, as indicated by the arrow F in order to impose on the face 13 of the sheet, opposite the mold, a nominal air pressure greater than 2 MPa.
  • the sheet heated by the heating unit and maintained above its glass transition temperature by the flow of hot air is thus deformed against the mold 7 and in particular against the mold reliefs 9.
  • the mold may include vents which pass through the mold from side to side in its thickness, in order to avoid the formation of air pockets preventing the sheet from being pressed against the mold.
  • thermoformed sheet After return to atmospheric pressure and demolding, as illustrated in Figure 1 d), the thermoformed sheet has micro-reliefs 15 projecting from the face opposite to the face 16 which was in contact with the mold.
  • the projecting mold reliefs 9 can have at their base a hole 16 passing right through the bottom 10 of the mold to a gas evacuation vent 17.
  • the diameter of the hole is less than 50 pm to prevent the polymeric material from flowing into the hole.
  • Figure 3 represents a mold 7 comprising a plurality of projecting mold reliefs of different shapes. Zones A to D spaced from each other can thus each include reliefs of the same shape, for example arranged periodically in a network, with for example different spacings between the mold reliefs.
  • zones A, B and C, and D may include mold reliefs in the shape of a pointed pencil 20, that is to say comprising a cylindrical portion of revolution 21 surmounted by a conical point 22, in the shape of truncated cylinder of revolution 23, or of conical shape 24 as illustrated respectively in Figure 4.
  • Thermoforming tests of a sheet with a thickness of 50 ⁇ m made of poly-(L-lactic acid), known by the acronym PLLA, having a glass transition temperature of 63 ° C and a crystallization temperature of 92 °C were carried out using a mold as illustrated in Figures 3 and 5.
  • the glass transition temperature and the crystallization temperature were measured by differential scanning calorimetry.
  • PLLA is a biosourced, biocompatible and biodegradable poly-(lactic acid). It is also semi-crystalline.
  • microreliefs having substantially shapes close to a pointed pencil 20, a beveled cylinder 23 and a cone 24 respectively could thus be obtained by applying the parameters essentials of the process according to the invention.
  • a mold relief having such a shape thus aims to form a micro-relief in the form of a micropoint or microneedle.
  • microreliefs were obtained which have a microdot shape, substantially similar to the shape of the mold relief on which they were formed.
  • Table 2 summarizes the different test parameters as well as the measurement results.
  • a nominal pressure of 2 MPa i.e. 20 bar
  • An increase in the nominal pressure to 40 bar associated with an increase in the sheet temperature at 78.5 ° C makes it possible to obtain a microneedle which has a shape closer to the mold relief in the shape of a pointed pencil, with a thin and substantially vertical cylindrical wall surmounted by a substantially conical tip, as is illustrated in Figure 7 d).

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Abstract

Procédé de thermoformage d'une feuille (2) faite d'un matériau polymérique présentant une température de transition vitreuse Tg inférieure ou égale à 120 °C, le procédé comportant le chauffage de la feuille à une température de chauffage supérieure à Tg et l'application sur une face de la feuille d'une pression de gaz comprise entre 2 MPa et 12 MPa pour déformer la feuille contre un moule (7) comportant un relief de moule (9) présentant une hauteur comprise entre 100 µm et 1000 µm.

Description

Description
Titre : Procédé de thermoformage de microreliefs sur feuille en polymère à basse Tg
La présente invention concerne la fabrication d’une feuille et pourvue de microreliefs et faite d’un matériau polymère à basse température de transition vitreuse, de préférence biosourcé,
De multiples applications sont connues qui mettent en œuvre des substrats de la surface desquels des microreliefs, par exemple des micropointes ou des microlentilles, d’une hauteur généralement comprise entre 500 et 1000 pm et présentant un rapport d’aspect supérieur à 1.
Par exemple, des dispositifs sont connus qui comportent de tels substrats, et qui sont destinés à être mis en contact avec la peau pour introduire une substance dans le corps. De telles micropointes pénètrent dans l’épiderme sans provoquer de douleur puisqu’elles n’atteignent pas les zones innervées du fait de leur faible hauteur. Par exemple, il est connu d’augmenter la perméabilité de la peau au moyen de micropointes, en générant des pores dans les zones superficielles de l’épiderme, ce qui facilite la délivrance de la substance dans ces zones. La substance peut être soit appliquée sur les micropointes avant perforation soit être appliquée après perforation par les micropores par diffusion simple ou par ionophorèse, i.e. au moyen d’un champ électrique.
Les techniques de fabrication et les matériaux connus pour fabriquer des microreliefs sont nombreuses comme cela est décrit dans l’article « A Comprehensive Review of Microneedles: Types, Materials, Processes, Characterizations and Applications », Faisal Khaled Aldawood, Abhay Andar et Salil Desai, Polymers 2021, 13, 2815, doi :10.3390/polyml3162815. Il est par exemple connu de réaliser des réseaux de microreliefs de forme variée par photolithographic ou par micro-usinage dans un substrat fait d’un métal ou d’un semi-conducteur. Cependant, ces techniques sont coûteuses et contraignantes à mettre en œuvre à l’échelle industrielle.
Les micropointes en matériaux polymériques tels que le poly-(acide lactique), le poly-(acide glycolique), le poly-(acide lactique-co-glycolique), connus sous les acronymes PLA, PGA et PLGA respectivement présentent une excellente biocompatibilité et une faible toxicité qui les rendent particulièrement bien adaptés à une application médicale. Pour fabriquer de telles micropointes en masse à l’échelle industrielle, les techniques connues les plus adaptées sont le moulage par injection du matériau polymérique en fusion et l’emboutissage d’une feuille faite du matériau polymérique, comme décrit dans « A Review on Microfabrication of Thermoplastic Polymer-Based Microneedle Arrays », Herwig Juster, Bart van der Aar, Hans de Brouwer, Polym. Eng. Sci., 59:877-890, 2019, doi : 10.1002/pen.25078.
Pour fabriquer des moules adaptés au moulage par injection, la méthode LIGA, acronyme en allemand de « "Lithographie, Galvanoformung and Abformung » est connue. Elle comporte la fabrication d’une ébauche comportant un réseau de relief en forme pointe par une méthode de lithographie par laser. Un moule métallique est ensuite produit par réplication de l’ébauche en appliquant une couche métallique sur la surface en relief de l’ébauche. Le moule est séparé par effet de retrait de l’ébauche au cours de la réplication, puis une feuille polymérique est emboutie sur le moule. Seules des formes simples peuvent cependant être obtenues par la méthode LIGA.
D’autres méthodes de fabrication de moules connues sont le micro-fraisage, le micro-meulage, l’usinage par électroérosion et le perçage par percussion laser qui permettent d’élaborer des moules de forme complexe, notamment avec des facteurs de forme supérieur à 5.
Les techniques de moulage par injection et d’emboutissage connus mettant en œuvre des moules présentant des reliefs en creux, la qualité des micropointes obtenues dépend principalement par l’aptitude du matériau polymérique à finer pour remplir les reliefs. Cette aptitude est conditionnée par de nombreux facteurs, notamment la température du matériau polymérique, la température du moule, la température du poinçon d’emboutissage et la durée d’injection ou d’emboutissage le cas échéant. Or une faible variation de l’un de ces paramètres peut impacter de manière conséquente la qualité des micropointes obtenues.
H existe donc un besoin pour un nouveau procédé permettant de produire en quantités industrielles une feuille dotée de microreliefs, en particulier de micropointes, permettant notamment de s’affranchir des inconvénients de l’art antérieur.
L’invention propose un procédé de thermoformage d’une feuille faite d’un matériau polymérique présentant une température de transition vitreuse Tg inférieure ou égale à 120 °C, le procédé comportant le chauffage de la feuille à une température de chauffage supérieure à Tg et l’application sur une face de la feuille d’une pression de gaz comprise entre 2 MPa et 12 MPa pour déformer la feuille contre un moule comportant un relief de moule présentant une hauteur comprise entre 100 pm et 1000 m.
Le procédé de thermoformage selon l’invention, par l’application d’une haute pression sur une feuille dont la déformabilité est optimale au-dessus de la température de transition vitreuse, permet d’obtenir au moins un microrelief qui présente une forme substantiellement complémentaire de la forme de moule.
Notamment, le procédé selon l’invention présente plus particulièrement l’avantage par rapport aux procédés de l’art antérieur, de permettre de maîtriser l’épaisseur de la feuille déformée en fond ou au sommet du relief de moule, que ledit relief de moule soit en creux ou en saillie respectivement.
La température de transition vitreuse peut être déterminée par calorimétrie différentielle à balayage, par exemple au moyen du calorimètre de référence STA449 commercialisé par la société Netzsch® et du logiciel de traitement de données de mesure associé.
De préférence, le matériau polymérique est biosourcé. Un matériau « biosourcé » est obtenu à partir d’une matière première organique, d’origine animale ou, de préférence, végétale, traitée par un procédé différent d’un procédé pétrochimique.
De préférence, le matériau polymérique est biocompatible. Un matériau « biocompatible » est toléré par un organisme humain ou animal sans que son interaction avec les tissus biologiques de l’organisme n’entraîne de pathologie. Le matériau polymérique peut aussi être biorésorbable.
De préférence, le matériau polymérique est choisi parmi le poly-(acide lactique), le poly-(acide glycolique), le poly-(acide lactique-co-glycolique) et leurs mélanges.
De préférence, le matériau polymérique est le poly-(acide lactique). Le poly- (acide lactique) peut être biosourcé, par exemple obtenu à partir de maïs et/ou de mélasse, notamment de canne à sucre.
Le matériau polymérique peut être amorphe.
Selon une variante, le matériau polymérique peut être semi-cristallin, la température de chauffage étant inférieure à la température de fusion du matériau polymérique, de préférence comprise entre 60 °C et 120 °C. La température de cristallisation et de fusion du matériau polymérique peut être déterminée par calorimétrie différentielle à balayage, par exemple au moyen du dispositif décrit ci-dessus pour la détermination de la température de transition vitreuse.
Un matériau polymérique semi-cristallin facilite la formation d’au moins une zone de striction dans la feuille lors de sa mise en forme. Le module d’élasticité et/ou la contrainte à rupture du matériau polymérique sont ainsi augmentés localement au sein de la ou des zones de striction, ce qui améliore les propriétés mécaniques et/ou optiques des microreliefs. Une zone de striction présente par exemple une élongation supérieure à 30 %
La température de transition vitreuse peut être supérieure à 60 °C et/ou inférieure à 100 °C.
La feuille peut présenter une longueur et/ou une largeur supérieures à 10 mm, de préférence supérieures à 50 mm, de préférence supérieures à 100 mm, voire supérieures à 200 mm, mieux supérieures à 300 mm. Par exemple, elle présente une longueur de 380 mm et une largeur de 320 mm. Une feuille présentant des telles dimensions permet ainsi la production de plusieurs milliers de microreliefs et est ainsi parfaitement adaptée à une production industrielle en masse.
De préférence, la feuille présente une épaisseur inférieure ou égale à 250 pm, de préférence inférieure ou égale à 150 pm, de préférence inférieure ou égale à 100 pm, de préférence inférieure ou égale à 75 pm et/ou supérieure ou égale à 20 pm, notamment de 50 pm.
Le chauffage est de préférence réalisé préalablement à l’application de la pression de gaz.
En particulier, le chauffage peut être effectué dans une unité de chauffage et la pression de gaz est appliquée dans une unité de formage distance de l’unité de chauffage, le procédé comportant une étape de transfert entre l’unité de chauffage et l’unité de mise en forme.
La durée entre la fin du chauffage et le début de l’application de la pression est de préférence inférieure à 5 s afin d’éviter que la feuille ne refroidisse.
La feuille est de préférence chauffée par au moins un élément chauffant radiatif, émettant par exemple dans l’infrarouge. Le procédé peut comporter la mesure d’au moins une température de la feuille, par exemple au moyen d’une caméra thermique, et le contrôle de la température et/ou du flux de chaleur émis par l’élément chauffant à partir de la mesure de la température de la feuille. Ainsi, la température de la feuille peut être régulée à une température de consigne.
De préférence, la feuille est chauffée par plusieurs éléments chauffants radiatifs, notamment disposés de part et d’autre des faces opposées de la feuille. Les éléments chauffants sont de préférence disposés de telle sorte à chauffer entièrement la feuille, et de préférence pour que la température de la feuille soit homogène, c’est-à-dire qu’elle varie au plus de 4 °C entre deux zones de la feuille. Ils sont par exemple disposés selon un quadrillage superposé à la feuille. Les éléments chauffants peuvent être contrôlés indépendamment les uns des autres pour émettre chacun un flux de chaleur adapté vers une portion de la feuille. En particulier, le procédé peut comporter la mesure d’au moins une température par zone de la feuille couverte par un élément chauffant et le contrôle de la température et/ou du flux de chaleur émis par l’élément chauffant correspondant à partir de la mesure de la température. Ainsi, la température de chaque zone de la feuille peut être régulée indépendamment à une même température de consigne.
La température de la feuille atteinte au cours du chauffage est choisie en fonction de la dépendance à la température des propriétés mécaniques, notamment du module d’élasticité, du matériau polymérique, afin que la feuille puisse être déformée au cours de l’étape de mise en forme de façon homogène.
De préférence, la température de chauffage de la feuille est inférieure ou égale à Tg + 30 °C, de préférence comprise entre Tg + 15 °C et Tg + 20 °C. Elle peut être mesurée sur la feuille avec une caméra thermique.
La durée de chauffage de la feuille peut être comprise entre 5 s et 30 s.
L’application de la pression de gaz comporte de préférence une phase de soufflage du gaz pour augmenter la pression du gaz jusqu’à atteinte de la pression de gaz nominale.
Le gaz peut être choisi parmi un gaz neutre, l’air et leurs mélanges. De préférence, le gaz est l’air.
De préférence, la pression de gaz nominale est comprise entre 2 MPa et 10 MPa.
De préférence, la durée de la phase de soufflage est de préférence inférieure ou égale à 5,0 s, de préférence inférieure ou égale à 1,0 s, par exemple de 0,5 s, afin de limiter la refroidissement de la feuille et de limiter, le cas échéant, les frottements de la feuille contre le moule qui peuvent avoir lieu durant la phase de soufflage et qui peuvent influencer la qualité du ou des microreliefs formés sur la feuille.
Le procédé comporte de préférence en outre une phase de maintien à la pression de gaz nominale, consécutive à la phase de soufflage du gaz, afin de plaquer la feuille contre le moule et former au moins un microrelief contre le relief de moule. De préférence, la pression de gaz nominale est appliquée pendant une durée de maintien inférieure à 20 s, de préférence comprise entre 1 s et 6 s.
La température du gaz est comprise entre Tg - 10 °C et Tg + 140 °C, durant la phase de soufflage et/ou durant la phase de maintien la pression de gaz nominale. De préférence, elle est comprise entre Tg + 10 °C et Tg + 40°C, de manière à assurer que la température de la feuille soit supérieure à la température de transition vitreuse du matériau polymérique durant le soufflage et/ou la mise en forme de la feuille respectivement.
La température du moule est de préférence comprise entre Tg - 35 °C et Tg + 70 °C, de préférence comprise entre Tg - 10 °C et Tg + 10 °C. De préférence, elle est inférieure à Tg, afin d’éviter le finage du matériau polymérique contre le moule pendant la phase de maintien de la pression de gaz nominale.
Le relief de moule peut être en creux ou en saillie.
Le relief de moule peut présenter une forme de portion de sphère, notamment une forme hémisphérique, de façon à former dans la feuille un microrelief sous la forme d’une lentille.
En variante, notamment afin de former un microrelief sous la forme d’une micropointe, le relief de moule présente de préférence un rapport d’aspect supérieur à 1, de préférence supérieur à 2, voire supérieur à 5, mieux supérieur à 10.
Le « rapport d’aspect » d’un relief de moule correspond au rapport de la hauteur du relief de moule sur la largeur du relief de moule.
La « hauteur » du relief de moule est égale à la profondeur dudit relief de moule lorsque ce relief de moule est en creux. La hauteur du relief peut être inférieure ou égale à 900 pm, voire inférieure ou égale à 800 pm.
La « largeur » d’un relief de moule correspond, dans la section transverse située à mi-hauteur dudit relief, au diamètre du plus petit cercle circonscrit audit relief dans ladite section transverse. La largeur du relief de moule peut être inférieure ou égale à 1 mm, de préférence inférieure ou égale à 500 uni. voire inférieure ou égale à 300 uni. voire inférieure à 200 pm.
Le relief de moule peut présenter une forme choisie parmi un cône, un tronc de cône, notamment biseauté, un cylindre de révolution, notamment biseauté, une forme en crayon pointu comportant un cylindre de révolution surmonté d’une pointe, notamment conique.
Le relief de moule peut présenter une pointe, lorsqu’il est en saillie, ou un fond, lorsqu’il est en creux, présentant un rayon de pointe comprise entre 1 et 10 pm.
De préférence, le relief de moule est en saillie et présenter à sa base un trou traversant de part en part le fond du moule vers un évent d’évacuation de gaz, le trou présentant de préférence un diamètre inférieur à 50 pm.
En variante, le relief de moule peut être en creux et présenter un fond débouchant dans une cavité prolongeant le relief de moule par un trou. De cette façon, une poche de gaz prise au piège entre la feuille et le moule peut emplir la cavité, ce qui permet d’éviter que la pression induite par cette poche empêche le finage du matériau polymérique contre le fond du relief de moule. De préférence, le trou présente un diamètre inférieur à 100 pm pour éviter un finage du matériau polymérique dans le trou.
Le moule comporte de préférence une pluralité de reliefs de moule. Il peut comporter des reliefs de moule en creux et des reliefs de moule en saillie. Il peut comporter des reliefs de moule d’une première forme et des reliefs d’une deuxième forme.
Les reliefs de moule peuvent être arrangés périodiquement selon au moins une, de préférence deux directions orthogonales sur la surface du moule, de manière à former un réseau de microreliefs sur la face de la feuille mise en forme.
Le moule peut comporter au moins un relief en creux, voire uniquement des reliefs de moule en creux.
Le moule peut comporter des évents, par exemple le traversant de part en part, afin de purger des poches d’air se formant durant l’application de la pression de gaz nominale, entre la feuille et le moule.
Dans un mode de mise en œuvre particulier de l’invention, la feuille est en poly- (acide lactique) et présente une épaisseur comprise entre 40 pm et 200 pm, de préférence de 50 pm. Elle est chauffée à une température supérieure à 60 °C, de préférence entre 70 °C et 110 °C. De préférence, la température du moule est comprise entre 25 °C et 130 °C, de préférence entre 50 °C et 70 °C, et de préférence inférieure à 60 °C. De préférence, la température du gaz, de préférence de l’air, au cours du soufflage et du maintien en pression est comprise entre 50 °C et 200 °C, de préférence entre 70 °C et 100 °C.
L’invention concerne enfin un dispositif comportant une feuille thermoformée obtenue par le procédé selon l’invention, le dispositif étant choisi parmi un patch transdermique ou une matrice de microlentilles.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée, présentée à titre illustratif et non limitatif, qui va suivre et du dessin annexé dans lequel :
[Fig. 1] illustre de manière schématique un exemple de mise en œuvre de l’invention,
[Fig. 2] est un écorché d’un agrandissement d’une section transverse schématique d’un moule selon un exemple de mise en œuvre le procédé selon l’invention,
[Fig. 3] représente une vue en perspective d’un moule comportant des reliefs de moule de différentes formes,
[Fig. 4] illustre différentes formes de reliefs de moule
[Fig. 5] est une photographie d’un moule pour un exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention,
[Fig 6] a) à c) sont des photographies de différents motifs de microreliefs formés par le procédé selon l’invention,
[Fig.7], [Fig. 8], [Fig. 10] et [Fig. 12] sont des photographies de microreliefs obtenus à partir du procédé selon l’invention en fonction de différents paramètres de procédé, et
[Fig. 9] et [Fig. 11] sont des graphiques représentant différentes cinétiques de montée et maintien à la pression nominale suivie par une dépressurisation.
Les proportions des différents éléments représentés sur les figures n’ont pas été nécessairement respectées, par souci de clarté du dessin.
On a illustré schématiquement sur la figure 1 un exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Dans une unité de chauffage 1 illustrée sur la figure 1 a), une feuille 2 d’un matériau polymérique présentant une température de transition vitreuse Tg inférieure ou égale à 120 °C est chauffée au moyen d’éléments chauffants radiatifs 3, chaque élément radiatif émettant un flux de chaleur en direction d’une zone 4 de la feuille. La température de chaque zone de la feuille est mesurée au moyen d’une sonde thermique 5 et la température de chaque élément radiatif peut être modifiée de telle sorte que la température dans la feuille soit homogène, c’est-à-dire que les températures des différentes zones soient sensiblement égales.
Par exemple, pour une feuille d’une largeur de 320 mm et d’une longueur de 380 mm, le chauffage peut être effectué au moyen d’un réseau de 6x7 éléments chauffants.
La feuille une fois chauffée est transférée vers une unité de mise en forme 6, comme illustré sur la figure 1 b).
Dans l’exemple illustré, les feuilles sont chauffées les unes à la suite des autres dans l’unité de chauffage puis transférées vers l’unité de mise en forme. Selon une variante, un film peut être déroulé puis chauffé en mouvement dans l’unité de chauffage avant d’être transféré vers l’unité de mise en forme.
Dans l’unité de mise en forme 6, la feuille 2 est disposée entre un moule 7 et une cloche 8 au moyen de picots de positionnement 18, apparents sur la figure 5.
Le moule 7 comporte une pluralité de reliefs de moule 9 qui font saillie du fond 10 du moule.
La cloche 8 est ensuite hermétiquement fermée sur le moule, comme illustré sur la figure 1 c), de telle sorte que le moule 8 et la cloche 9 pincent la périphérie 11 de la feuille afin d’assurer une étanchéité à l’air.
De l’air à une température d’au moins 50°C est ensuite soufflé au moyen d’un compresseur d’air 12 dans la cloche sur la feuille, comme indiqué par la flèche F afin d’imposer sur la face 13 de la feuille, opposée au moule, une pression d’air nominale supérieure à 2 MPa. La feuille chauffée par l’unité de chauffage et maintenue au-dessus de sa température de transition vitreuse par le flux d’air chaud est ainsi déformée contre le moule 7 et notamment contre les reliefs de moule 9. Le moule peut comporter des évents qui traversent le moule de part en part dans son épaisseur, afin d’éviter la formation de poches d’air empêchant le placage de la feuille contre le moule.
Après retour à la pression atmosphérique et démoulage, comme illustré sur la figure 1 d), la feuille thermoformée comporte des microreliefs 15 faisant saillie de la face opposée à la face 16 qui était au contact du moule. Comme cela est illustré sur la figure 2, les reliefs de moule 9 en saillie peuvent présenter à leur base un trou 16 traversant de part en part le fond 10 du moule jusqu’à un évent d’évacuation de gaz 17. De préférence, le diamètre du trou est inférieur à 50 pm pour éviter que le matériau polymérique flue dans le trou.
La figure 3 représente un moule 7 comportant une pluralité de reliefs de moule en saillie de différentes formes. Des zones A à D espacées les unes des autres peuvent ainsi comporter chacun des reliefs d’une même forme, par exemple disposés périodiquement en réseau, avec par exemple des espacements différents entre les reliefs de moule.
Par exemple, les zones A, B et C, et D peuvent comporter des reliefs de moule en forme de crayon pointu 20, c’est-à-dire comportant une portion cylindrique de révolution 21 surmontée d’une pointe conique 22, en forme de cylindre de révolution tronqué 23, ou de forme conique 24 comme illustré respectivement sur la figure 4.
Exemples
Des essais de thermoformage d’une feuille d’une épaisseur de 50 pm faite de poly-(acide L-lactique), connu sous l’acronyme PLLA, présentant une température de transition vitreuse de 63 °C et une température de cristallisation de 92 °C ont été réalisés au moyen d’un moule tel qu’illustré sur les figures 3 et 5. La température de transition vitreuse et la température de cristallisation ont été mesurées par calorimétrie différentielle à balayage.
Le PLLA est un poly-(acide lactique) biosourcé, biocompatible et biodégradable. Il est en outre semi-cristallin.
Le moule utilisé comportait des zones présentant différents reliefs de moule dont les formes et dimensions sont récapitulées dans le tableau 1 suivant :
[tableau 1]
Figure imgf000012_0001
Comme cela est observé sur la figure 6 a) à c), des microreliefs présentant sensiblement des formes proches d’un crayon pointu 20, d’un cylindre biseauté 23 et d’un cône 24 respectivement ont ainsi pu être obtenus en appliquant les paramètres essentiels du procédé selon l’invention.
Des exemples spécifiques ont ensuite été produits et des mesures réalisées sur un relief de moule en forme de crayon pointu 20 d’une hauteur de 700 mm, la hauteur de la portion cylindrique 21 étant de 400 pm et la hauteur du cône 22 étant de 300 pm, le diamètre du relief de moule étant de 300 pm. Le rapport d’aspect du relief de moule était donc de 2,33.
Un relief de moule présentant une telle forme vise ainsi à former un microrelief sous la forme d’une micropointe ou microaiguille.
Différentes configurations de mise en œuvre du procédé ont ainsi été testées. Les paramètres du procédé suivants ont été testés :
- la durée de chauffage De et la température de la feuille en fin de chauffage Te qui en résulte,
- la durée du soufflage d’air Ds nominale,
- la température de l’air soufflé Ts,
- la durée de maintien Dm de la feuille sous la pression d’air nominale au cours de la mise en forme, et
- la pression de l’air nominale appliquée sur la feuille au cours de la mise en forme P.
L’influence de ces différents paramètres a été déterminée en mesurant la hauteur et largeur du microrelief formé sur la feuille et le comparant à la hauteur et au rapport d’aspect du relief de moule.
Pour tous les essais réalisés, des microreliefs ont été obtenus qui présentent une forme de micropointes, substantiellement similaire à la forme du relief de moule sur lequel ils ont été formés.
Le tableau 2 récapitule les différents paramètres d’essais ainsi que les résultats des mesures.
[tableau 2]
Figure imgf000013_0001
Comme cela est observé en comparant les exemples T38, T39, T36 et T42, il apparait qu’une pression nominale de 2 MPa (soit 20 bar) associée à une température de feuille en fin de chauffage de 75 °C permet de fabriquer une microaiguille avec une base évasée. Une augmentation de la pression nominale à 40 bar associée à une augmentation de la température de feuille à 78,5 °C permet d’obtenir une microaiguille qui présente une forme plus proche du relief de moule en forme de crayon pointu, avec une paroi cylindrique fine et sensiblement verticale surmontée par un embout sensiblement conique, comme cela est illustré sur la figure 7 d).
Une comparaison des exemples T41 et T42 indique que pour les paramètres de ces essais, une variation de 30 °C de la température de soufflage de l’air a un effet limité sur la hauteur et plus généralement sur la forme du microrelief. Cela est aussi visible en comparant la figure 7 d) avec la figure 8.
Une comparaison des exemples T42, T44 et T45 met en exergue l’influence de la durée de maintien à la pression nominale de gaz lors de la mise en forme. Pour cela, les cinétiques de montée et de maintien à la pression nominale illustrées sur la figure 9 ont été mises en œuvre.
Comme cela est observé en comparant les figures 10 a), 8 et 10 b), une durée de maintien de 5,5 s selon l’essai T44 à la pression nominale apparaît la plus favorable à la formation d’un microrelief présentant une forme la plus porche du relief de moule.
Une comparaison des exemples T42, T46 et T47 met en exergue l’influence de la vitesse de montée à la pression nominale de gaz lors de la mise en forme. Pour cela, les cinétiques de montée et de maintien à la pression nominale illustrées sur la figure 11 ont été mises en œuvre.
La comparaison de ces essais ainsi que l’observation des formes des microreliefs des figures 8, 12 a) et 12 b) fait apparaître qu’une montée rapide à la pression nominale selon l’essai T42 suivie d’une longue durée de maintien est plus favorable à la formation d’un microrelief haut et élancé qu’une montée lente suivie d’une faible durée de maintien, comme selon l’essai T47. Une montée lente à la pression nominale semble conduire à des frottements importants de la feuille contre le moule.

Claims

Revendications
1. Procédé de thermo formage d’une feuille (2) faite d’un matériau polymérique présentant une température de transition vitreuse Tg inférieure ou égale à 120 °C, le procédé comportant le chauffage de la feuille à une température de chauffage supérieure à Tg et l’application sur une face de la feuille d’une pression de gaz comprise entre 2 MPa et 12 MPa pour déformer la feuille contre un moule (7) comportant un relief de moule (9) présentant une hauteur comprise entre 100 pm et 1000 p m.
2. Procédé selon la revendication 1, le matériau polymérique étant biosourcé.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, le matériau polymérique étant biorésorbable.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau polymérique étant choisi parmi le poly-(acide lactique), le poly-(acide glycolique), le poly- (acide lactique-co-glycolique) et leurs mélanges.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau polymérique étant semi-cristallin, la température de chauffage étant en outre inférieure à la température de fusion du matériau polymérique, de préférence comprise entre 60 °C et 120 °C.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la température de chauffage étant comprise entre Tg + 15 °C et Tg + 20 °C.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une phase de soufflage du gaz pour augmenter la pression du gaz jusqu’à atteinte de la pression de gaz nominale, la durée de la phase de soufflage étant de préférence inférieure ou égale à 5,0 s, de préférence inférieure ou égale à 1,0 s, par exemple de 0,5 s.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une phase de maintien à la pression de gaz nominale, consécutive à la phase de soufflage du gaz, de préférence la pression de gaz nominale étant appliquée pendant une durée de maintien inférieure à 20 s, de préférence comprise entre 1 s et 6 s.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pression de gaz nominale étant de préférence comprise entre 2 MPa et 10 MPa.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la température du moule étant de préférence comprise entre Tg - 35 °C et Tg + 70 °C, de préférence entre Tg - 10 °C et Tg + 10 °C, et de préférence inférieure à Tg.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la température du gaz étant comprise entre Tg - 10 °C et Tg + 140 °C, de préférence entre Tg + 10 °C et Tg + 40°C.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la feuille présentant une épaisseur inférieure ou égale à 250 pm, de préférence inférieure ou égale à 150 p m, de préférence inférieure ou égale à 100 pm, de préférence inférieure ou égale à 75 pm et/ou supérieure ou égale à 20 pm, notamment de 50 pm.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le relief de moule présentant une forme de portion de sphère, notamment hémisphérique.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le relief de moule présentant un rapport d’aspect supérieur à 1, de préférence supérieur à 2, voire supérieur à 5, mieux supérieur à 10 et/ou présentant une forme choisie parmi un cône, un tronc de cône, notamment biseauté, un cylindre de révolution, notamment biseauté une forme de crayon pointu.
15. Procédé selon la revendication précédente, le relief de moule étant en saillie et présentant à sa base un trou (16) traversant de part en part le fond (10) du moule vers un évent d’évacuation de gaz (17), le trou présentant de préférence un diamètre inférieur à 50 pm.
16. Dispositif comportant une feuille thermoformée obtenu par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant choisi parmi un patch transdermique ou une matrice de microlentilles
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