FR3142689A1 - Process for thermoforming microreliefs on low Tg polymer sheet - Google Patents
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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. Figure pour l’abrégé : Fig. 8A method of thermoforming a sheet (2) made of a polymeric material having a glass transition temperature Tg less than or equal to 120 °C, the method comprising heating the sheet to a heating temperature greater than Tg and application on one side of the sheet of a gas pressure of between 2 MPa and 12 MPa to deform the sheet against a mold (7) comprising a mold relief (9) having a height of between 100 µm and 1000 µm. Figure for abstract: Fig. 8
Description
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,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,
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 µm et présentant un rapport d’aspect supérieur à 1.Multiple applications are known which use substrates on the surface of which microreliefs, for example microtips or microlenses, with a height generally between 500 and 1000 µm and having an aspect ratio greater than 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.For example, devices are known which comprise such substrates, and which are intended to be brought into contact with the skin to introduce a substance into the body. Such microtips penetrate the epidermis without causing pain since they do not reach the innervated areas due to their low height. For example, it is known to increase the permeability of the skin by means of microtips, by 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, ie . by means of an electric field.
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/polym13162815. Il est par exemple connu de réaliser des réseaux de microreliefs de forme variée par photolithographie 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.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/polym13162815. For example, it is known to produce arrays of microreliefs of varied shapes by photolithography or by micromachining in a substrate made of a metal or a semiconductor. However, these techniques are expensive and restrictive to implement on an industrial scale.
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.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. To mass manufacture such microtips on an industrial scale, the most suitable known techniques are injection molding of the molten polymeric material and 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.
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.To manufacture molds suitable for injection molding, 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. However, only simple shapes can be obtained by the LIGA method.
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.Other known 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.
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 fluer 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.Since known injection molding and stamping techniques use molds with hollow reliefs, the quality of the microtips obtained depends mainly on the ability of the polymeric material to flow 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.
Il 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.There is therefore a need for a new process making it possible to produce in industrial quantities a sheet equipped with microreliefs, in particular microtips, making it possible in particular to overcome the disadvantages of the prior art.
L’invention propose un procédé de thermoformage d’une feuille faite d’un matériau polymérique présentant une température de transition vitreuse Tginférieure ou égale à 120 °C, le procédé comportant le chauffage de la feuille à une température de chauffage supérieure à Tget 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 µm et 1000 µm.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 applying to one side of the sheet a gas pressure of between 2 MPa and 12 MPa to deform the sheet against a mold comprising a mold relief having a height of between 100 µm and 1000 µm.
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.The 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.
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.In particular, 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.
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.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.
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.Preferably, 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.
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.Preferably, 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.
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.Preferably, the polymeric material is chosen from poly-(lactic acid), poly-(glycolic acid), poly-(lactic-co-glycolic acid) and mixtures thereof.
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.Preferably, 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.
Le matériau polymérique peut être amorphe.The polymeric material may be amorphous.
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.According to a variant, 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 scanning calorimetry, for example by means of the device described above for determining the glass transition temperature.
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 %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%.
La température de transition vitreuse peut être supérieure à 60 °C et/ou inférieure à 100 °C.The glass transition temperature may be above 60°C and/or below 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.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.
De préférence, la feuille présente une épaisseur inférieure ou égale à 250 µm, de préférence inférieure ou égale à 150 µm, de préférence inférieure ou égale à 100 µm, de préférence inférieure ou égale à 75 µm et/ou supérieure ou égale à 20 µm, notamment de 50 µm.Preferably, the sheet has a thickness less than or equal to 250 µm, preferably less than or equal to 150 µm, preferably less than or equal to 100 µm, preferably less than or equal to 75 µm and/or greater than or equal to 20 µm , in particular 50 µm.
Le chauffage est de préférence réalisé préalablement à l’application de la pression de gaz.Heating is preferably carried out before the application of gas pressure.
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.In particular, 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.
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.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.
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.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. Thus, the temperature of the sheet can be regulated to a set temperature.
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.Preferably, 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. In particular, 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. Thus, the temperature of each zone of the sheet can be regulated independently at the same set temperature.
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.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.
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.Preferably, 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.
La durée de chauffage de la feuille peut être comprise entre 5 s et 30 s.The heating time of the sheet can be between 5 s and 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.The application of gas pressure preferably includes a gas blowing phase to increase the gas pressure until the nominal gas pressure is reached.
Le gaz peut être choisi parmi un gaz neutre, l’air et leurs mélanges. De préférence, le gaz est l’air.The gas can be chosen from a neutral gas, air and their mixtures. Preferably, the gas is air.
De préférence, la pression de gaz nominale est comprise entre 2 MPa et 10 MPa.Preferably, the nominal gas pressure is between 2 MPa and 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.Preferably, 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, where applicable, the friction of the sheet against the mold which may occur during the blowing phase and which may influence the quality of the micro-relief(s) formed on the sheet.
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.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. Preferably, the nominal gas pressure is applied for a holding time of less than 20 s, preferably between 1 s and 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.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. Preferably, 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.
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 fluage du matériau polymérique contre le moule pendant la phase de maintien de la pression de gaz nominale.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 creep of the polymeric material against the mold during the phase of maintaining the nominal gas pressure.
Le relief de moule peut être en creux ou en saillie.The mold relief can be recessed or protruding.
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.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.
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.As a variant, in particular in order to form a microrelief in the form of a microtip, the mold relief preferably has an aspect ratio greater than 1, preferably greater than 2, or even greater than 5, better still greater than 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.The “aspect ratio” of a mold relief is the ratio of the height of the mold relief to the width of the mold relief.
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 µm, voire inférieure ou égale à 800 µm.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 µm, or even less than or equal to 800 µm.
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 µm, voire inférieure ou égale à 300 µm, voire inférieure à 200 µm.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 may be less than or equal to 1 mm, preferably less than or equal to 500 µm, or even less than or equal to 300 µm, or even less than 200 µm.
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.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.
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 µm.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 µm.
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 µm.Preferably, 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 µm.
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 fluage du matériau polymérique contre le fond du relief de moule. De préférence, le trou présente un diamètre inférieur à 100 µm pour éviter un fluage du matériau polymérique dans le trou.Alternatively, the mold relief can be hollow and have a bottom opening into a cavity extending the mold relief through a hole. In this way, a gas pocket 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 creeping against the bottom of the mold relief. Preferably, the hole has a diameter less than 100 µm to prevent creep of the polymeric material into the hole.
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.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.
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.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.
Le moule peut comporter au moins un relief en creux, voire uniquement des reliefs de moule en creux.The mold may include at least one recessed relief, or even only recessed mold reliefs.
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.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.
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 µm et 200 µm, de préférence de 50 µm. 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.In a particular embodiment of the invention, the sheet is made of poly-(lactic acid) and has a thickness of between 40 µm and 200 µm, preferably 50 µm. It is heated to a temperature above 60°C, preferably between 70°C and 110°C. Preferably, the mold temperature is between 25°C and 130°C, preferably between 50°C and 70°C, and preferably less than 60°C. Preferably, 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.
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.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.
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 :Other characteristics and advantages of the invention will appear further on reading the detailed description, presented for illustrative and non-limiting purposes, which follows and the appended drawing in which:
Les proportions des différents éléments représentés sur les figures n’ont pas été nécessairement respectées, par souci de clarté du dessin.The proportions of the different elements represented in the figures have not necessarily been respected, for the sake of clarity of the drawing.
On a illustré schématiquement sur la
Dans une unité de chauffage 1 illustrée sur la
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.For example, for a sheet with a width of 320 mm and a length of 380 mm, heating can be carried out using an array of 6x7 heating elements.
La feuille une fois chauffée est transférée vers une unité de mise en forme 6, comme illustré sur la
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.In the example shown, the sheets are heated one after the other in the heating unit then transferred to the shaping unit. According to a variant, a film can be unrolled then heated while moving in the heating unit before being transferred to the shaping unit.
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
Le moule 7 comporte une pluralité de reliefs de moule 9 qui font saillie du fond 10 du moule.The mold 7 includes a plurality of mold reliefs 9 which project from the bottom 10 of the mold.
La cloche 8 est ensuite hermétiquement fermée sur le moule, comme illustré sur la
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.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.
Après retour à la pression atmosphérique et démoulage, comme illustré sur la
Comme cela est illustré sur la
La
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
Des essais de thermoformage d’une feuille d’une épaisseur de 50 µm 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.Thermoforming tests of a 50 µm thick sheet 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.
Le PLLA est un poly-(acide lactique) biosourcé, biocompatible et biodégradable. Il est en outre semi-cristallin.PLLA is a biosourced, biocompatible and biodegradable poly-(lactic acid). It is also semi-crystalline.
Le moule utilisé comportait des zones présentant différents reliefs de moule dont les formes et dimensions sont récapitulées dans le tableau 1 suivant :The mold used included areas presenting different mold reliefs, the shapes and dimensions of which are summarized in the following table 1:
Comme cela est observé sur la
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 µm et la hauteur du cône 22 étant de 300 µm, le diamètre du relief de moule étant de 300 µm. Le rapport d’aspect du relief de moule était donc de 2,33.Specific examples were then produced and measurements carried out on a mold relief in the shape of a pointed pencil 20 with a height of 700 mm, the height of the cylindrical portion 21 being 400 µm and the height of the cone 22 being 300 µm, the diameter of the mold relief being 300 µm. The aspect ratio of the mold relief was therefore 2.33.
Un relief de moule présentant une telle forme vise ainsi à former un microrelief sous la forme d’une micropointe ou microaiguille.A mold relief having such a shape thus aims to form a micro-relief in the form of a micropoint or microneedle.
Différentes configurations de mise en œuvre du procédé ont ainsi été testées.Different configurations for implementing the process were thus tested.
Les paramètres du procédé suivants ont été testés :
- la durée de chauffage Dc et la température de la feuille en fin de chauffage Tc 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.The following process parameters were tested:
- the heating duration Dc and the resulting temperature of the sheet at the end of heating Tc,
- the nominal duration of air blowing Ds,
- the temperature of the blown air Ts,
- the holding time Dm of the sheet under the nominal air pressure during shaping, and
- the nominal air pressure applied to the sheet during shaping 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.The influence of these different parameters was determined by measuring the height and width of the microrelief formed on the sheet and comparing it to the height and aspect ratio of the mold relief.
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.For all the tests carried out, microreliefs were obtained which have a microdot shape, substantially similar to the shape of the mold relief on which they were formed.
Le tableau 2 récapitule les différents paramètres d’essais ainsi que les résultats des mesures.Table 2 summarizes the different test parameters as well as the measurement results.
(s)DC
(s)
(°C)Tc
(°C)
(°C)Ts
(°C)
(s)Dm
(s)
(MPa)P
(MPa)
(mm)H
(mm)
(mm)L
(mm)
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
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
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
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.As observed by comparing Figures 10 a), 8 and 10 b), a holding time of 5.5 s according to test T44 at the nominal pressure appears most favorable to the formation of a microrelief having a shape the most porch of the mold relief.
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
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.Comparison of these tests as well as observation of the shapes of the micro-reliefs in Figures 8, 12 a) and 12 b) shows that a rapid rise to the nominal pressure according to test T42 followed by a long holding time is more favorable to the formation of a high and slender micro-relief than a slow rise followed by a short holding time, as according to test T47. A slow rise to the nominal pressure seems to lead to significant friction of the sheet against the mold.
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