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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Papier bioactif : rêve de chercheurs ou réalité industrielle ? Révision : 16 septembre 2009  
Papier bioactif : rêve de chercheurs ou réalité industrielle ?
Ecole internationale du papier, 
	de la communication imprimée et des biomatériaux             Mathilde BILLY et Sandrine GUEPY

Élèves-ingénieurs 2e année
 Juin 2007
Mise en ligne - Septembre 2009

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
     
  Plan  
I - Introduction
II - Marché actuel
III - Potentiel des masques bioactifs
IV - Principe d'action des masques bioactifs
V - Production des masques bioactifs
et insertion des bioparticules
  VI - Perspectives d'évolution des masques
bioactifs sur le marché
 
  VII - Conclusion  
  VIII - Bibliographie - Webographie  
     
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I - Introduction

Plan

I-1 - Papier bioactif et masque de protection

Un papier bioactif est un matériau fibreux capable de déceler, d’intercepter et de désactiver des substances pathogènes. Actuellement, c'est un papier peu présent sur le marché. En effet, la plupart de ses utilisations possibles en sont encore au stade de la recherche et il y a encore peu d’applications industrielles. Parmi ces dernières, figure par exemple le papier, imprimé par le procédé sérigraphique, qui sert d’indicateur du taux de glucose dans l’organisme.

Les perspectives d’évolution des papiers bioactifs concernent surtout les secteurs de l’emballage et de la médecine. Ainsi, le groupe Procter & Gamble envisagerait de réaliser un emballage alimentaire multifonctionnel. Il pourrait assurer une protection antimicrobienne en utilisant des enzymes, préserver l’aliment grâce à d’autres enzymes absorbant l’oxygène, éliminer les odeurs par un traitement de surface, indiquer la détérioration de l’aliment grâce aux anticorps détecteurs, renseigner sur la température, l’évolution du goût et l’absorption de l’humidité.

Les papiers bioactifs, bien qu’encore peu utilisés, sont donc la preuve que la technologie s'inscrit dans notre quotidien. Ces papiers devront s’adapter à un grand nombre d’utilisations et garantir la protection de la santé de l’utilisateur.

Cette étude porte essentiellement sur le masque de protection bioactif, celui-ci étant considéré comme l’application la plus probable, dans un futur proche, des papiers bioactifs. Ce masque permettrait de détecter et d’inhiber des substances pathogènes afin de protéger l'utilisateur. Au terme de cette étude, nous tenterons de discerner si le papier bioactif relève de la rêverie scientifique ou de la réalité de l'industrie.

I-2 - Quelques définitions

                Schéma d'un biocapteur      
  Figure 1 - Schéma d'un biocapteur
Source : Bioactive paper and fibre products. VTT, 2006
 
     

Il est possible de parler de papiers bioactifs à partir de 1916, date à laquelle un biocapteur à base de glucose est implanté dans un pancréas artificiel. Plus tard, ce biocapteur a été nommé Biostator. Les tests de quantification de glucose dans le sang sont aujourd’hui les applications majeures des biocapteurs. La spécificité des bandes pour tester le glucose dans le sang est basée sur une réaction enzymatique ou est réalisée avec un autre type de groupe récepteur, les anticorps.

II - Marché actuel

Plan

Les applications des papiers bioactifs étant aujourd'hui quasi-inexistantes, il n'y a pas de marché des masques bioactifs. Aussi, examinons le marché actuel des masques de protection respiratoire.

II-1 - Masques non-tissés

Les masques de protection respiratoire font partie de la famille des non-tissés. La différence d'un non-tissé avec un papier "classique" est liée au pourcentage de fibres cellulosiques introduites. En effet, un non-tissé en comporte moins de 50% [Figure 2].

                Vue 
  au microscope d'un non-tissé      
  Figure 2 - Vue au microscope d'un non-tissé
Source : Coste G. Les non-tissés. Cerig, 2004
 
     

Un non-tissé est composé des éléments suivants :

Il existe différentes voies d’obtention des non-tissés :

II-2 - Masques médicaux : masques de soin et masques chirurgicaux

                Masque médical      
  Figure 3 - Masque médical  

Ce type de masque permet d’éviter que la personne qui le porte ne projette des agents infectieux sous forme de gouttelettes par voie aérienne [Figure 3].
Les masques médicaux relèvent de la directive 93/42/CEE du Conseil européen du 14 juin 1993. Le sigle CE inscrit sur ces masques garantit leur conformité à cette directive.

II-3 - Appareils de protection respiratoire jetables

        Masque filtrant  
  Figure 4 - Masque filtrant  

L'appareil de protection respiratoire protège la personne qui le porte contre l’inhalation d’agents infectieux transmis par voie aérienne ou par gouttelettes. C'est le cas des masques filtrants [Figure 4].
Les appareils de protection respiratoire jetables relèvent de la directive 89/686/CEE du Conseil du 21 décembre 1989.

Ils sont classés dans trois catégories : FFP1, FFP2 et FFP3. Plus le chiffre indiqué est élevé, plus le masque est efficace et, par conséquent, plus la protection est importante. L’efficacité d’un masque est déterminée en testant l’efficacité du filtre et la fuite au visage.

Ces appareils de protection respiratoires sont soumis aux normes suivantes :

L’emballage de ces appareils de protection comporte le sigle CE, la classe à laquelle appartient le masque et le nom de la norme qui lui est associée. Le masque comporte le nom de l’organisme qui suit la qualité de la fabrication. Les filtres, quant à eux, comportent des lettres et un code de couleur selon le type de contaminant contre lequel ils protègent.

III - Potentiel des masques bioactifs

Plan

Après avoir identifié les différents masques de protection respiratoire disponibles sur le marché, une question se pose : comment les masques bioactifs pourraient-ils s’insérer sur ce marché ? Pour y répondre, la première étape est d’évoquer la volonté nouvelle de développement des papiers bioactifs.

III-1 - Tendances actuelles

Les papiers bioactifs sont en cours de développement. Les recherches se sont accélérées depuis deux évènements : les attentats du 11 Septembre 2001 et l’épisode de la grippe aviaire. Il est aujourd’hui clair que les papiers bioactifs auront une influence significative sur notre mode de vie, notamment dans les domaines de l’environnement, du bâtiment, du textile et de l’agroalimentaire.

Deux procédés de fixation des molécules bioactives sur le papier se démarquent :

Ces deux procédés sont détaillés plus loin.

III-2 - Possibilité d'insertion des masques bioactifs sur le marché des masques de protection respiratoire

                Diagramme de 
  Porter analysant le marché des masques de protection respiratoire      
  Figure 5 - Diagramme de Porter analysant le marché des masques de protection respiratoire  
     

Le marché des masques de protection respiratoire est stable avec des surconsommations ponctuelles, lors d’épidémies par exemple. Le niveau de sécurité de chaque masque est adapté à chaque client grâce aux niveaux de protection variables et aux différents moyens de fixation au visage. Le client choisit celui qui lui convient le mieux en termes d'étanchéité et de confort. De plus, il s’attend  à avoir un produit ayant un bon rapport qualité prix.

Les fournisseurs de masques de protection sont nombreux sur le marché français. Pour répondre aux situations de crise, ils doivent avoir une grande réactivité. En outre, ils doivent adapter les procédés aux propriétés voulues pour le masque.

Les produits de remplacement – combinaisons intégrales, masques en tissu réutilisables ou produits directement vaporisables dans l’air et garantissant la sécurité de l’utilisateur <– peuvent offrir de nouveaux avantages tels qu’une protection plus étendue ou identique mais avec une gêne moindre, une réutilisation possible ou encore la diminution des allergies dues au port du masque.

IV - Principe d'action des masques bioactifs

Plan

Considérant le marché actuel, le potentiel d’insertion des masques bioactifs est loin d’être nul. Étudions maintenant la manière dont ils peuvent être fabriqués.
Tout d’abord, intéressons-nous aux substances qui permettraient de qualifier de "bioactifs" les masques sur ou dans lesquels ils sont introduits, ainsi que leur mode d’action pour détecter et/ou supprimer les substances pathogènes. Ensuite, les méthodes visuelles permettant à l’utilisateur du masque de savoir s’il est dans une zone infectée sont détaillées.

IV-2 - Détection des substances pathogènes

Plusieurs biomolécules – les enzymes, les anticorps et les acides nucléiques – peuvent être utilisées pour détecter des substances pathogènes. Elles pourraient être incorporées dans le papier, ce qui faciliterait la production de masse de matériaux destinés à des applications diverses [Figure 6].

                Possibilité 
  de donner de nouvelles fonctionnalités au papier grâce à l'introduction 
  de biocatalyseurs      
  Figure 6 - Possibilité de donner de nouvelles fonctionnalités
au papier grâce à l'introduction de biocatalyseurs
Source : Bioactive paper and fibre products. VTT, 2006
 
     

IV-2-1 - Enzymes

Définition
Les enzymes sont des molécules servant de catalyseurs lors de réactions biologiques. Il en existe plus de 3500 et elles peuvent être soit entièrement protéiques, soit en deux parties, l’une protéique (apoenzyme) et l’autre non protéique (coenzyme).

Les enzymes reconnaissent spécifiquement leur substrat grâce à leur site actif ayant la forme d’une cavité ou d’un sillon. Un complexe enzyme-substrat, nécessaire pour la réaction enzymatique, est alors créé. La formation de ce complexe a pour but d’accélérer une réaction biochimique. À la fin de la réaction, l’enzyme est intacte et peut être utilisée avec une autre molécule de substrat, la précédente pouvant être à présent le produit de la réaction.

Détection de l’activité d’une enzyme extracellulaire
La première méthode basée sur les propriétés des enzymes est la détection de l’activité d’une enzyme extracellulaire d’un micro-organisme. Le principe de cette détection est basé sur la détérioration de la membrane lipidique d’un substrat, également appelé indicateur, par ces enzymes extracellulaires, puis sur la diffusion de composants colorés.

Ainsi, le substrat est déposé par couchage sur les faces internes d’un emballage en papier, carton ou plastique, contenant un produit susceptible de favoriser le développement de micro-organismes. S’il y a effectivement présence d’une activité enzymatique, une modification visuelle du substrat pourra être remarquée. Le substrat peut également être une étiquette imprimée avec une encre spécifique qui sera modifiée en présence d’enzymes sécrétées par des micro-organismes.

Introduction de composants antimicrobiens via des réactions enzymatiques
Ce système est utilisé pour les emballages alimentaires. Lors de leur fabrication, des substances antimicrobiennes sont ajoutées aux matériaux usuels pour la fabrication d’un papier, tels que la matière fibreuse, les additifs, les charges... Le taux de contamination microbienne à la surface du produit emballé, zone où les microbes sont les plus présents, est donc réduit.

Les substances antimicrobiennes peuvent être ajoutées à l’emballage, en papier ou en carton, suivant différents procédés. Elles peuvent être ajoutées par couchage ou adsorption à la surface de l’emballage ou être utilisées comme matières premières au cours du procédé de fabrication du papier ou du carton. Il est également possible de retenir ces substances bioactives à la surface de l’emballage, grâce à des liaisons ioniques et covalentes ou à des copolymérisations avec le papier ou le carton.

Certaines de ces substances, par exemple le sorbate de potassium (sel de l’acide sorbique CH3-CH=CH-CH=CH-COOH et du potassium), le benzoate de sodium (Na+ + C6H5COO-) ou l’allyl isothiocyanate, pourraient être incorporées dans des encres aptes au contact alimentaire. Ces encres seraient ensuite couchées ou imprimées à la surface de l’emballage, grâce aux procédés d’impression existants, tels que la sérigraphie et l’impression jet d’encre, le couchage ou la pulvérisation. Il est également possible d’utiliser, en tant que substance antimicrobienne, un polysaccharide appelé chitosane. Il s’agit du bio-polymère naturel le plus abondant après la cellulose, présent, par exemple, dans la carapace des crustacés. C’est un matériau biodégradable dont l’activité antimicrobienne agit contre les bactéries, les levures et les moisissures. Grâce à ses propriétés filmogènes, il peut être utilisé pour les emballages, les papiers couchés et les films traités en surface.

IV-2-2 - Anticorps

                Code-barres comportant 
  un système de détection des substances pathogènes      
  Figure 7 - Code-barres comportant un système
de détection des substances pathogènes
Source : Bioactive paper and fibre products.
VTT, 2006
 

Les anticorps sont des protéines utilisées par le système immunitaire pour détecter les substances pathogènes appelées antigènes. Ces derniers sont des molécules naturelles ou synthétiques, généralement des protéines ou des polysaccharides. Lors d’une réaction immunitaire, les anticorps, spécifiques d’un type d’antigène, ont pour fonction de se lier à celui-ci, puis d’enclencher les mécanismes permettant de le détruire. Ce phénomène est appelé réponse immunitaire.

On utilise les réactions immunochimiques afin d’identifier et de quantifier les composés organiques et inorganiques. Elles mettent en œuvre des anticorps spécifiques pour une catégorie d’antigènes précise, permettant la formation d’un complexe antigène-anticorps. Cette méthode a été utilisée en médecine, en chimie, pour l’analyse de l’environnement et les contrôles alimentaires.

Des tests ont ainsi été mis en place pour détecter les Escherichia coli ou E. Coli (bactéries intestinales des mammifères) et les salmonelles (bactéries présentes dans les milieux aquatiques pollués ou dans les aliments). On utilise des cartes test spécifiques. Dans une fenêtre test, on imprègne un point d’encre avec des anticorps spécifiques des antigènes présents dans les bactéries et compatibles avec l’encre. Si les antigènes sont présents dans l’échantillon testé, ils réagissent avec les anticorps et une bande colorée apparaît.

Il existe d’autres matériaux utilisant des systèmes de détection immunochimique, comme un emballage en polyéthylène capable de détecter la présence de bactéries pathogènes à l’aide d’anticorps immobilisés.

Enfin, il est possible de trouver des systèmes de détection immunochimique des substances pathogènes dans les codes-barres disposés au contact des produits emballés. Si un micro-organisme non souhaité est présent, le code-barres devient illisible [Figure 7].

 

 

IV-2-3 - Application aux masques de protection

L’utilisation d’indicateurs est envisageable pour détecter les réactions enzymatiques. En effet, il serait possible de coucher la surface extérieure du masque ou d’utiliser les mêmes étiquettes encrées que celle présentées précédemment. Cette méthode permettrait alors de mettre en évidence la présence de micro-organismes.
Les substances antimicrobiennes, quant à elles, pourraient être incorporées au sein du masque lors du procédé de fabrication du papier ou plus tard, grâce aux procédés de transformation et d’impression existants. Dans ce cas, il y a destruction des substances dangereuses. Ces substances ne sont donc plus seulement filtrées, comme c’est le cas pour les masques de protection actuels, mais également détruites, d’où une protection accrue de l’utilisateur de masques bioactifs.

Le système de détection immunochimique pourrait également être adapté aux masques de protection. L’impression des masques avec une encre contenant des anticorps sensibles à un (ou plusieurs) type(s) d’antigène(s) serait envisageable.

Il serait aussi possible d’utiliser le système du code-barres. On pourrait penser, par exemple, à un motif sur le masque qui disparaîtrait lors de la présence d’antigènes nuisibles. Ces systèmes seraient utiles pour avertir l’utilisateur qu’il entre dans une zone contaminée et que le port du masque est nécessaire.

IV-3 - Signalisation visuelle des substances pathogènes

Un biocapteur est constitué d’un élément sensible, sélectif et spécifique, tel qu’une enzyme ou un anticorps, combiné à un traducteur approprié. Il peut être électrique ou optique. Seuls les biocapteurs optiques sont traités ici, cette application étant la plus envisageable pour les masques de protection.

Comme évoqué précédemment,  les détections sont souvent possibles grâce à un changement de couleur. Celui-ci est dû aux liaisons créées entre les molécules à analyser et le récepteur, donc à une réaction biochimique. La signalisation est fondée sur deux paramètres – la longueur d’onde et l’intensité lumineuse – c’est-à-dire sur un changement de couleur ou d’intensité ou sur une combinaison de ces deux phénomènes.

IV-3-1 - Signalisation directe

Comme nous l'avons vu grâce sur la figure 1, les molécules à analyser se fixent sur le récepteur (enzyme, anticorps). Cette fixation produit un changement d’indice de réfraction au sein du complexe récepteur-molécule, détectable grâce au transducteur (optique, dans notre cas), dispositif permettant de convertir une grandeur physique en une autre Ce complexe peut également changer l’intensité de la lumière ou la longueur d’onde réfléchie, également détectable par le transducteur.

IV-3-2 - Signalisation indirecte

Elle est réalisée grâce à la mise en place d’une étiquette comportant des molécules actives optiquement, comme les fluorophores. Il s’agit de molécules capables d’émettre de la lumière de fluorescence après excitation. Elles sont composées de noyaux aromatiques conjugués ou de molécules planes et cycliques comportant plusieurs doubles liaisons. Lorsque les fluorophores se lient aux molécules constituant l’échantillon analysé, on obtient l’activation optique de l’échantillon. Le signal émit par l’étiquette est alors détecté par le transducteur.
Il est possible également d'ajouter des chromophores, groupements d’atomes responsables de la couleur de la molécule dans laquelle ils se trouvent grâce à leur capacité à absorber certaines longueurs d’ondes du spectre visible. Il s’agit, par exemple, de séquences d’au moins sept doubles liaisons et/ou d’enchaînements de cycles aromatiques.

Utilisation des chromophores

Les chromophores changent la couleur des molécules auxquelles ils se lient en modifiant la longueur d’onde qu’elles émettent [Figure 8}.

                Changement de couleur 
  de la lumière dispersée par une nanoparticule à laquelle des chromophores ont été liés      
  Figure 8 - Changement de couleur de la lumière dispersée par une nanoparticule
à laquelle des chromophores ont été liés
Source : Bioactive paper and fibre products. VTT, 2006
 
     

Ce type de réaction peut être observé dans les bandes de test de pH. L’avantage du signal basé sur le changement de couleur est qu’il est analysable visuellement et simple à utiliser. En effet, les chromophores peuvent facilement être liés à une structure fibreuse sans ajout supplémentaire de composés chimiques. En revanche, des instruments de mesure supplémentaires sont souvent nécessaires pour rentabiliser l’analyse des échantillons. De plus, le chromophore doit être spécifique de chaque système de signalisation.

Utilisation des fluorophores

Les fluorophores ne sont pas spécifiques de l’échantillon à analyser. Ils doivent être immobilisés avec des molécules bioactives, comme les anticorps, pour réagir de façon spécifique avec les molécules de l’échantillon.

L’usage des fluorophores semble difficilement envisageable pour les papiers bioactifs car les opérations à mettre en place ne sont pas aisées. En effet, il faut tout d’abord immobiliser les fluorophores à la surface de l’étiquette. Ceux-ci se lient ensuite aux molécules, mais seulement aux groupements conjugués des groupements anticorps-fluorophores. Les fluorophores en excès sont éliminés par lavage et, pour finir, un appareil spécifique pour la lecture de la structure de signalement doit être utilisé.

Néanmoins, les étiquettes changent directement de couleur du fait des liaisons entre les fluorophores et les molécules à détecter. Les étiquettes semblent de plus adaptées aux papiers bioactifs car elles peuvent être attachées directement et facilement au produit.

V - Production des masques bioactifs et insertion des bioparticules

Plan

La variété des substances bioactives utilisables n’est plus à démontrer. Cette diversité doit être prise en compte lors de la fabrication des masques. À présent, nous pouvons évoquer les procédés d’insertion et de fixation des particules bioactives dans et sur les masques bioactifs. Par la suite, une description (non exhaustive) des procédés potentiellement utilisables sera faite.

V-1 - Procédés d'insertion

V-1-1 - Insertion dans la masse

Pour insérer des particules bioactives au cœur du matériau papier, c'est-à-dire dans la masse, la production doit être faite sur machine à papier. Cette insertion n’est pas facilitée par les conditions extrêmes présentes sur les machines (température, pH…) qui imposent une grande limite de ce procédé. De plus, il est difficile de fabriquer sur une même production des papiers ayant des propriétés différentes. À cela s’ajoute le fait que pour avoir un bon rapport qualité/prix, il faut que la production soit faite en grande quantité.

L’insertion dans la masse des molécules bioactives permet de piéger ces dernières au sein même de la structure fibreuse. Pour retenir les molécules, les lier à la cellulose, polymère constitutif des fibres, peut s’avérer une excellente solution. En effet, l’immobilisation se base alors sur les affinités entre les molécules ce qui permet donc de greffer des groupements réactifs aux fibres.

N.B. : La fabrication des non-tissés permet d'obtenir des papiers ouverts. Le procédé par voie humide quant à lui produit les papiers les plus fermés et les plus homogènes.

V-1-2 - Dépôt en surface

Avec les procédés de dépôt en surface, il est possible d’obtenir des propriétés plus larges sur les produits. Toutefois, la capacité de production est diminuée. Le dépôt des particules bioactives à la surface du papier peut être fait par dépôt d’une encre, par couchage ou encore par surfaçage.

N.B. : Le chitosane est filmogène, ce qui rend son utilisation très intéressante en surface des papiers, notamment pour le couchage et le surfaçage.

Plusieurs modes d’immobilisation peuvent être envisagés pour conserver ces particules en surface.

V-2 - Obtention des papiers bioactifs sur la machine à papier

Les papiers peuvent être rendus bioactifs soit durant le process papetier (grâce à l’introduction en masse des particules bioactives par exemple), soit lors de la transformation du papier (couchage,…) ou encore lors de l’impression des masques (utilisation d’une encre spéciale).

Modifier la matière première constitutive du matériau papier lors de sa fabrication comporte plusieurs avantages :

Toutefois, cette modification a ses limites. Les conditions d’une machine à papier sont extrêmes – la température des cylindres sécheurs est d’environ 100°C – et certaines enzymes, par exemple, ne sauraient les supporter. De plus, la fabrication de deux produits identiques en terme de matière première fibreuse mais comportant des molécules bioactives différentes, génère des difficultés d’adaptation de la production et une perte de temps importante.

Il faut alors utiliser des procédés liés à la transformation pour pouvoir insérer ou fixer en surface les substances bioactives plus efficacement. Toutefois, une perte de la capacité de production est inévitable pour assurer la diversité des produits fabriqués. Ce constat est illustré sur le graphique suivant [Figure 9].

                Relation entre 
  la variabilité du produit et la capacité de production      
  Figure 9 - Relation entre la variabilité du produit et la capacité de production
Source : Bioactive paper and fibre products. VTT, 2006
 
     

Les possibilités de production des masques bioactifs sur les machines à papier sont fondées sur trois manières de rendre les fibres fonctionnelles en leur ajoutant des groupements adéquats : l’activation chimique de la pâte cellulosique, le greffage des substances actives sur les fibres et la modification chimico-enzymatique des fibres [Figure 10].

                Trois méthodes pour "fonctionnaliser" les fibres      
  Figure 10 - Trois méthodes pour "fonctionnaliser" les fibres
Source : Bioactive paper and fibre products. VTT, 2006
 
     

V-2-1 - Activation chimique de la pâte cellulosique

Les agents bioactifs peuvent être introduits de façon relativement homogène dans la structure de la matière fibreuse, où ils sont immobilisés efficacement grâce à des liaisons chimiques ou électrostatiques.

Pour les ajouter à la surface de la fibre, il faut :

Ces traitements permettent aux fibres d’être plus aptes à recevoir les substances bioactives introduites.

V-2-2 - Greffage des substances actives sur les fibres

Il s’agit ici d’introduire des groupements fonctionnels dans la chaîne polysaccharide principale de la fibre afin d’obtenir des propriétés supplémentaires sans les détruire.

Les fibres présentes dans le papier portent initialement une charge anionique, c’est-à-dire une charge négative en excès. Différents procédés permettent de rendre les fibres cationiques (positives) : par exemple, oxyder les groupements aldéhydes de la cellulose puis les faire réagir afin d’obtenir des sites cationiques. En outre, des sites cationiques peuvent être mis en place sur la lignine présente dans la pâte.

Pour former les liaisons entre les substances bioactives et les fibres, il est possible d’utiliser :

Finalement, le greffage des substances actives sur les fibres peut être fait via une polymérisation radicalaire, anionique ou cationique, via la polyaddition, la polycondensation ou le couplage de macromolécules dans la cellulose.

V-2-3 - Modification chimico-enzymatique des fibres

Il s’agit d’une modification des fibres beaucoup plus spécifique et ciblée que la précédente. Elle s'appuie sur la mise en place de liaisons covalentes entre les fibres et les particules bioactives notamment les enzymes. Elle permet de garder les propriétés physiques des fibres mais également d’avoir une rétention importante des particules introduites.

À l’heure actuelle, plusieurs méthodes existent :

V-3 - Introduction des bioparticules grâce aux procédés de transformation

Les particules bioactives peuvent être déposées en surface du support grâce à différents procédés. Toutefois, certains n’ont pas été testés industriellement. Nous traitons ici des procédés pouvant être pris en compte pour les masques bioactifs. D’autres possibilités restent envisageables pour la fabrication d’autres papiers bioactifs, notamment des bains de polymères.

V-3-1 - Surfaçage

Ce procédé permet la dépose d’une couche à la surface d’un support. Généralement, cette opération a pour but de diminuer la rugosité et la porosité de surface du matériau. Ainsi, les propriétés d’adsorption du papier sont modifiées.

Actuellement, aucune étude n’a été menée sur l’utilisation du surfaçage pour déposer des biomolécules sur le papier. Toutefois, ce procédé pourrait être utilisé. En effet, les particules seraient déposées en surface et la quantité déposée – de quelques grammes à plusieurs centaines au mètre carré – ainsi que la formulation de la sauce (pH, composants) seraient extrêmement variables.

L’adaptation de ce procédé au masque de protection est mitigée, surtout pour des quantités déposées importantes.

V-3-2 - Pulvérisation

Les particules seraient ici déposées sous forme de gouttelettes ou de brume sans qu’il y ait contact avec la surface à traiter. En comparaison avec le surfaçage, il est possible d’effectuer des dépôts plus faibles et donc plus fins sur des zones larges.

Ce procédé est adapté au masque de protection car il permet de garder la perméabilité du masque sur certaines zones.

V-3-3 - Couchage

Cette opération vise à améliorer l’état de surface des papiers : diminution de la rugosité de surface, brillant amélioré,... Il s’apparente fortement au surfaçage : le support est recouvert par une couche faite de pigments ou de charges minérales, et d’autres composants conférant des propriétés plus spécifiques (fluorescence,…).

Les technologies de couchage sont multiples :

Les quantités de sauce de couchage déposées sur le support sont plus importantes que pour le surfaçage. Lors de la fabrication de la sauce de couchage, des agents bioactifs peuvent être introduits en même temps que les autres composants. Le couchage permet aux particules de ne pas être enfermées dans le réseau fibreux et donc d’intervenir plus rapidement si nécessaire.

Toutefois, le couchage classique réduisant la perméabilité du matériau, l'intérêt de l'utiliser pour des masques de protection respiratoire est limité. En effet, la respiration de l’utilisateur doit rester aisée.

V-3-4 - Traitement plasma

Il est fondé sur l’utilisation d’un gaz porteur qui, combiné aux molécules bioactives, forme une brume. Cette méthode est très puissante et peut changer totalement les propriétés de la surface traitée.

Le traitement plasma peut être utilisé pour produire des papier bioactifs. En effet, il permet d’optimiser les propriétés d’adhésion de la surface qui accueille les molécules bioactives. Une modification par traitement plasma à température froide (jusqu’à 80°C) transporte les molécules bioactives grâce à un gaz porteur pour les déposer directement sur la surface.

Ce procédé pourrait être adapté aux masques de protection car déposer les particules bioactives sur des zones précises de la surface est envisageable. Toutefois, il faudrait bien évidement étudier les conséquences du procédé sur la matière première.

V-3-5 - Couchage sol-gel

Ce procédé est prometteur. La matière subissant le couchage comporte des composés organiques et inorganiques combinés dans une structure nanoscopique. Les propriétés obtenues par le couchage dépendent des produits utilisés : les polymères offrent de la flexibilité, les céramiques de la dureté et de la résistance à l’abrasion,... Il est ainsi possible de combiner les composants afin d’optimiser le couchage. De plus, ce dernier est transparent sous la lumière visible ce qui permet de visualiser la surface traitée.

Pour les masques de protection respiratoire, l'intérêt de ce procédé est mitigé en raison du risque de boucher tous les pores de la surface, donc d’entraver la respiration.

V-4 - Introduction des bioparticules grâce aux procédés d'impression

Les procédés d'impression permettent de déposer plusieurs types de molécules bioactives sur des zones de formes et de tailles spécifiques. Deux procédés principaux sont détaillés : la sérigraphie et l’impression jet d’encre. Le premier est déjà utilisé dans le domaine médical et le second apparaît comme un procédé d’avenir dans le domaine de l’imprimerie.

V-4-1 - La sérigraphie

Ce procédé d’impression relativement simple est très utilisé notamment pour les indicateurs du taux de glucose dans le sang. L'encre est déposée sur un écran. Elle est ensuite répartie sur toute la surface à imprimer à l’aide d’une racle qui la fait passer par les mailles de l’écran. L’encre utilisée est relativement visqueuse et permet d'introduire de grandes quantités de particules solides. Le volume d’encre déposé est relativement important, dix fois plus que dans les autres procédés d’impression. Les particules bioactives seraient donc introduites dans l’encre.

Du fait de l’épaisseur d’encre transférée dans ce procédé, beaucoup de particules se retrouvent à la surface de l’imprimé. Toutefois, cela dépend de la quantité de particules introduites dans l’encre. En effet, si la concentration en particules bioactives est très importante, une épaisseur d’encre plus fine comporte autant de molécules actives qu’une couche plus épaisse dont la concentration en particules dans l’encre est plus faible.

V-4-2 - L’impression jet d’encre

Le jet d’encre est une méthode très prometteuse pour le transfert de molécules bioactives. En effet, ce procédé étant sans contact, il n’est pas nécessaire d’avoir une grande qualité de surface (une rugosité est acceptable par exemple) et tout type de support peut être imprimé. Deux technologies d’impression jet d’encre sont utilisées aujourd’hui :

De plus, le jet d’encre permet le contrôle exact de la quantité d’encre transférée et ne nécessite que peu de réglages au démarrage et durant l’impression. En d’autres termes, ce procédé ne gâche pas d’encre. Toutefois, l'encre doit être peu visqueuse, très homogène et très stable.

VI - Perspectives d'évolution des masques bioactifs sur le marché

Plan

Dans les paragraphes précédents, les substances bioactives et les technologies liées à la fabrication des masques bioactifs ont été présentées. Ces aspects vont pouvoir nous servir de base pour étudier les perspectives d’évolution de ce type de masques sur le marché.
Dans un premier temps, nous verrons les facteurs de développement et d’insertion des masques bioactifs sur le marché, puis nous parlerons de la façon dont les masques bioactifs se positionnent sur ce marché. Enfin, nous illustrerons les observations que nous avons pu faire grâce à des scénarios.

VI-1- Facteurs d'insertion et de développement des masques bioactifs

VI-1-1 - Variables

La flexibilité de la production est nécessaire pour fabriquer des masques bioactifs, ce qui en fait la première variable à considérer.

Le deuxième paramètre à prendre en compte est la température de fonctionnement de la machine à papier : elle doit être limitée afin de ne pas détériorer les substances bioactives.

De plus, le niveau de sécurité assuré par le masque doit toujours être respecté, c'est-à-dire qu’il ne doit pas varier d’une production à une autre.

Enfin, le confort de l’utilisateur, lorsque celui-ci porte le masque, doit être satisfaisant, d’où la nécessité d’une perméabilité suffisante pour lui permettre de respirer sans effort.

VI-1-2 - Acteurs

Les procédés étant encore au stade de la recherche, les laboratoires peuvent être considérés comme les principaux acteurs. Ainsi, le réseau SENTINEL et le centre de recherche VTT (Finlande), qui travaillent actuellement sur les papiers bioactifs, en font partie.

Aux laboratoires s’ajoutent les entreprises qui fabriquent actuellement des masques de protection : citons par exemple Kimberly Clark (Division masques), France Sécurité, 3M Santé ,... En effet, ces sociétés sont susceptibles de fabriquer les masques bioactifs si leur utilisation prend de l’ampleur.

Enfin, il y a les prescripteurs : pouvoirs publics, armée,... qui influencent grandement les utilisateurs des masques, notamment durant les périodes d’épidémies.

VI-1-3 - Facteurs clés

Parmi les facteurs prépondérants de développement, l’élévation de la durée du port du masque est notable. En effet, elle est au moins aussi importante que celle des masques de protection existant actuellement. À cela s’ajoute une protection accrue de l’utilisateur, grâce à la détection simultanée de plusieurs substances pathogènes.

VI-1-4 - Facteurs économiques

Il est nécessaire d’avoir une fabrication de masse des papiers bioactifs afin de rentabiliser la production et d’offrir au client un bon rapport qualité/prix. Cela permet à la population d'acheter les masques à un prix abordable.

De plus, la fabrication des masques bioactifs est réalisable seulement si la capacité d’approvisionnement des fournisseurs est suffisante.

VI-2 - Positionnement stratégique (matrice SWOT)

Forces Faiblesses
  • Traitement de plusieurs contaminants sur une même surface
  • Grande réactivité
  • Moins d’encombrement qu’un masque à gaz
  • Rentabilité seulement si fabrication de masse
  • Température élevée du process sur machine à papier
  • Prix élevé à la vente
  • Difficulté de manipulation des matières premières
  • Recyclage (présence de substances pathogènes)
Opportunités Menaces
  • Produit innovant
  • Épidémies de plus en plus fréquentes
  • Durée d’utilisation supérieure à trois heures
  • Masques actuels
  • Développement de masques réutilisables
  • Combinaisons intégrales

Tableau 1 - Matrice SWOT pour l'analyse stratégique des masques bioactifs

Les masques bioactifs sont des produits de niche : innovants, ils possèdent une grande réactivité et ont une forte valeur ajoutée.

VI-3 - Scénarios

VI-3-1 - Scénario 1 - Le boom des papiers bioactifs

Des études montrent qu’à cause du réchauffement de la planète, l'apparition de nouveaux virus irritant les voies respiratoires et provoquant des maladies mortelles, est une menace constante. En réponse, l’État met en place un plan de prévention et organise une campagne de distribution de masques de protection respiratoire. Néanmoins, la population reste inquiète quant aux risques élevés de contamination.

C'est pourquoi les fournisseurs de masques de protection, en collaboration avec les laboratoires, se penchent sur le développement des masques bioactifs. La demande étant très importante, certains fabricants n’hésitent pas à changer de spécialité et à modifier leurs machines afin de se lancer dans la production de masse de ces masques bioactifs. Les propriétés des biocapteurs à insérer dans les masques nécessitent de baisser la température de fonctionnement des machines à papier. Ce paramètre, qui pouvait apparaître comme une contrainte, devient finalement un avantage grâce aux économies considérables réalisées sur la consommation d’énergie.

De plus, un laboratoire de recherche met au point un nouveau papier constitué de fibres de cellulose permettant de remplacer les non-tissés jusqu’alors utilisés pour les masques de protection. Ce papier conserve la perméabilité du masque tout en facilitant l’application des substances bioactives.

La fabrication en grandes quantités des masques bioactifs permet de les commercialiser à un coût peu élevé par rapport à celui des masques classiques. Les ventes, et par conséquent la production, de ce nouveau type de masques explose rapidement.

Les entreprises et les laboratoires, confiants quant au succès des papiers bioactifs, développent d’autres applications. Ainsi trouve-t-on des codes-barres s’effaçant lorsque le produit est périmé ou encore des étiquettes indiquant que la chaîne du froid des produits surgelés a été rompue.

VI-3-2 - Scénario 2 - Faillite des fournisseurs de masques bioactifs

Encore une entreprise du secteur des masques bioactifs qui met la clé sous la porte : pas plus que ses concurrentes, MBio n’a pu sortir du lot et imposer ses produits sur le marché. Les masques bioactifs utilisés dans des secteurs précis comme le secteur médical, ne sont pas produits en masse. En effet, le couchage utilisé chez MBio, procédé qui consiste à déposer une couche de produit sur la matière première des masques, s'avère inadapté. Les clients se plaignent de difficultés à respirer.

Ce problème n’est pas le même que celui rencontré par la société BioM qui n’a pas su garder une qualité constante de sa production. Apparemment, les différences de température causent la destruction de tout ou partie des enzymes ajoutées à la matière première des masques.

L’entreprise ImpBio, créée depuis peu, s’est lancée dans l’impression jet d’encre des masques de protection respiratoire. Il semble que le choix du procédé d'impression soit plus judicieux même si la protection n’est pas uniformément répartie sur la surface du masque. Espérons que cette jeune entreprise ne suive pas les traces de ces prédécesseurs mais qu’elle profite de leurs expériences...

VI-3-3 - Scénario 3 - Émergence des produits bioactifs

Les recherches sur les papiers bioactifs permettent de mettre au point un masque qui augmente le niveau de sécurité de l’utilisateur. Néanmoins, des obstacles restent à franchir : conserver la perméabilité des masques et diminuer les températures sur la machine à papier.

Le secteur médical s'intéresse à ces nouveaux masques notamment pour les personnes se déplaçant dans des zones présentant des risques élevés de contamination. Certains fabricants de masques se lancent dans la production de masques bioactifs, tout en conservant leur activité principale. Les températures de la machine à papier ont pu être baissées. En revanche, les recherches concernant la perméabilité, et donc la nécessité de mettre au point de nouveaux types de papiers, n’ont pas abouties pour le moment.

La respiration avec le masque bioactif nécessite plus d’efforts. En conséquence, il est réservé à des usages particuliers, notamment par les personnels en missions humanitaires dans des zones infectées.

Enfin, le masque bioactif est plus cher qu’un masque de protection classique. Ce dernier permettant tout de même une protection convenable contre des agents pathogènes, son utilisation reste majoritaire.

VI-3-4 - Analyse des risques

À ce jour, de nombreux obstacles freinent l’émergence des papiers bioactifs tant au niveau des procédés que du marché préexistant. Toutefois, il n’est pas impossible que les papiers bioactifs se développent et prennent une part du marché actuel des masques de protection respiratoire.

Évaluons les risques associés aux différents scénarios proposés précédemment :

VII - Conclusion

Plan

Les papiers bioactifs relèvent encore du domaine de la recherche. Au premier abord, ce type de papier est davantage un rêve de chercheurs plutôt que d’une réalité industrielle.

Toutefois, le stade actuel des travaux scientifiques laisse envisager des applications possibles et variées notamment dans le secteur des masques de protection respiratoire. La fabrication de ces masques exige du savoir-faire de la part des industriels car les réactions mises en jeu pour la détection et la signalisation des particules doivent être connues et maîtrisées. C'est pourquoi la nature des particules bioactives à introduire doit être prise en compte. Elle influe également sur le choix du procédé d’insertion des molécules bioactives. Certains paramètres, tels que les températures de la machine à papier lors du procédé papetier ou la capacité de respiration lors du port du masque, doivent encore être améliorés. L’essor des papiers bioactifs dépend de l’évolution des technologies actuelles et de l’apparition de nouveaux procédés.

Enfin, les matériaux bioactifs ne se développeront pas uniquement dans le domaine du papier. Nul doute qu'ils trouveront leur place également dans d’autres secteurs tels que le textile et l’agroalimentaire.

VIII - Bibliographie - Webographie

Plan

Aikio S., Grönqvist S., Hakola L. [et al.]   Bioactive paper and fibre products: patent and literary survey.   Finlande : VTT, 2006
Consulter
Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS)   Risques infectieux en milieu de soins. Masques médicaux ou appareils de protection respiratoire jetables : quel matériel choisir ?   INRS, ED 4136, 2005
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Coste G.   Les non-tissés.   Cerig, 2004
Consulter
    SENTINEL Bioactive Paper Network.   Disponible sur :
Consulter
Dupont D.   Applications des biocapteurs : du contrôle des aliments à la recherche de vie sur Mars.   Techniques de l'Ingénieur, 2009
Consulter
Bras J.   Papiers et emballages intelligents et actifs.   Cerig, 2009
Consulter
Aronson M.   Des nouvelles méthodes pour fabriquer du papier bioactif.   Ministère des affaires étrangères et européennes.
Veille technologique internationale
Consulter
Theroux P.   À la rescousse de l'industrie papetière.   Les Affaires, 6 septembre 2008
Consulter
Berger M.   Biosensors printed on bioactive paper.   Nanowerk, 24 juillet 2009
Consulter
Zakir Hossain S.M., Luckham R.E., Smith A.M. [et al.]   Development of a bioactive paper sensor for detection of neurotoxins using piezoelectric inkjet printing of sol−gel-derived bioinks.   Analytical Chemistry, 2009, 81 (13), pp 5474–5483
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ElAmin A.   Bioactive paper packaging under development.   Dairy Reporter, 24 mai 2007
Consulter
    Bioactive paper to destroy, deactivate and detect deadly pathogens.   Medical News Today, 20 juin 2008
Consulter
    Bioactive papers sensors: toxin detection as close as an inkjet printer.   Internetchemistry
Consulter
     
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