Magazine Mercredi 30 septembre 2020 - 15:59

La fabrication additive de pièces comestibles fonctionnelles

Partagez cette news :

impression-3d-alimentaire-comestible-biopolymere

La fabrication additive permet l’obtention de pièces comestibles. Il devient alors possible de contrôler l’apport en calories et en ingrédients de façon précise, par exemple pour les applications thérapeutiques personnalisées. Mais l’impression se complexifie. Des travaux de recherche sont menés à INRAE sur la mise en œuvre de biopolymères à l’état fondu et leur dépôt sous forme de gels. Présentation !

Par Laurent Chaunier, INRAE-Centre Pays de la Loire, UR 1268 BIA, et Stéphane Portanguen, INRAE-Centre Clermont Auvergne-Rhône-Alpes, UR 370 QuaPA.

L'impression 3D peut être appliquée aux domaines pharmaceutique et alimentaire pour la réalisation de pièces comestibles obtenues à façon. Leur porosité, leur texture et le relargage de composés d’intérêt (c.-à-d. nutriments, principes actifs) sont alors contrôlés à l’échelle microstructurale. La mise au point de matrices et de dispositifs de dépôt de matière permettant l’obtention de pièces comestibles imprimées en 3D sera illustrée par deux exemples de travaux de recherche menés à l’INRAE (l’INRA, Institut National de la Recherche Agronomique ayant fusionné avec l’IRSTEA) sur la conception de biopolymères à l’état fondu et leur dépôt sous forme de gels.

Le dépôt d’un biopolymère thermoplastique

La mise en œuvre de biopolymères naturels par fabrication additive par dépôt de fil fondu (FA DFF) ouvre des perspectives pour des applications dans le domaine pharmaceutique ou pour l’alimentation personnalisée, en bénéficiant de leur comestibilité et de leur résorbabilité [1, 2]. Elle nécessite tout d’abord la mise au point de modèles numériques de pièces imprimées 3D permettant de cibler le relargage d’une molécule d’intérêt, tel un principe actif depuis une pastille pharmaceutique, selon la porosité contrôlée par le procédé de fabrication additive (figure 1). Ensuite, l’obtention de telles pièces nécessite le développement de matériaux à base de biopolymères thermoplastiques formulés, de façon à garantir leur mise en œuvre à l’état fondu au cours des phases d’écoulement, d’adhésion puis de rigidification lors de leur impression tridimensionnelle.

Les travaux de recherche réalisés dans l’unité BIA d’INRAE Nantes montrent que la zéine, une protéine extraite des grains de maïs, plastifiée par 20 % de glycérol peut être extrudée sous forme de filaments à une température de l’ordre de 130 °C. Ces filaments extrudés présentent alors des propriétés thermomécaniques correspondant aux spécifications du procédé FA-DFF visé. En effet, ils ont une température de transition vitreuse Tg, de l’ordre de 42° C après stockage en conditions standards, à une humidité relative de 59 % et pour une température de 20° C. Ils sont alors rigides dans les conditions ambiantes, permettant ainsi l’obtention de pièces mécaniquement stables après leur impression. Ces filaments extrudés présentent une relaxation mécanique principale à Tα=55° C, suivie de l’obtention d’un fondu au comportement viscoélastique rhéofluidifiant pour une température supérieure à 80° C [3, 4]. Les conditions d’obtention de fondus à base de zéine plastifiée, ainsi que  leurs propriétés en écoulement à haute température, permettent d’envisager le dépôt de ce biopolymère sous la forme d’un fil fondu, donnée par la filière de la buse d’une imprimante 3D de type FA-DFF.

Image
Optimisation des propriétés biopolymère impression 3D

Figure 1 : Optimisation des propriétés de transfert de structures poreuses à base d’un biopolymère d’après une approche multiphysiques (adapté de [3])

Lors du dépôt de matière, en sortie de filière de la buse, les mécanismes à la base de la coalescence des fondus par soudage thermoplastique garantissent la cohésion entre les couches de matière déposées au cours de l’impression 3D. Ils impliquent leur tension de surface, Γ, force motrice de ce phénomène, et leur viscosité, μ. Ces propriétés sont peu détaillées dans la littérature dans le cas des biopolymères, alors qu’elles sont d’une importance capitale pour la mise au point de matériaux dont l’imprimabilité 3D est visée. Un dispositif expérimental, inspiré du procédé FA-DFF, a donc été mis au point pour suivre la coalescence de deux filaments extrudés à base de zéine, placés dans un four instrumenté lors d’essais en conditions isothermes. Une analyse automatisée des images acquises pendant la fusion adhésion des deux filaments juxtaposés permet alors le suivi de la longueur du front de fusion entre eux (figure 2 ; [5]).

Image
Schéma du dispositif expérimental filaments zéine
Image
fusion_de_deux_filaments_fabrication_additive

Figure 2 : Schéma du dispositif expérimental permettant le suivi de la fusion-adhésion de deux filaments extrudés à base de zéine (a-). Représentation schématique des principales étapes du traitement d’images de fusion-adhésion entre deux filaments juxtaposés (Øfilament ≈ 2mm ; T = 130° C) (b-) (adapté de [5])

L’application de modèles du phénomène de coalescence de polymères thermoplastiques placés à haute température a permis la détermination du temps caractéristique de frittage visqueux des fondus à base de zéine plastifiée (tvs), ainsi que sa dépendance à la température.

Entre 120 et 130° C, ce temps caractéristique est proche de celui de l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), polymère synthétique amorphe standard en FA-DFF, à sa température classique de mise en œuvre à l’état fondu en impression 3D (tvs_ABS_240°C≈41s) [5]. Ces valeurs peuvent être rapprochées de celles déterminées en calorimétrie (Tg=42°C) et en analyse mécanique dynamique (Tα=55°C, avec l’apparition de l’état fondu à partir de 80°C). Elles permettent ainsi de définir la fenêtre d’impression 3D de la zéine plastifiée dans cette gamme de températures (figure 3).

Image
glycérol en fabrication additive par dépôt de fil fondu

Figure 3 : Détermination de la fenêtre d’ouvrabilité de la zéine plastifiée par 20 % de glycérol en fabrication additive par dépôt de fil fondu (FA-DFF) : 120-130° C. Évolution  des propriétés thermomécaniques (E′ [Pa], ■, module de stockage; E″ [Pa], ♦, module de perte) et du temps caractéristique de frittage visqueux (tvs [s], -●-). Avec : Tg = 42° C, la  température de transition vitreuse ; Tα = 55° C, la température de relaxation mécanique principale et l’apparition de l’état fondu à partir de 80° C (adapté de [5])

Les filaments extrudés à base de zéine plastifiée ont donc des propriétés thermomécaniques, rhéologiques et de surface du même ordre de grandeur que celles de polymères synthétiques standards en FA-DFF à leurs températures d’impression 3D. Ils présentent de bonnes capacités de coalescence à l’état fondu, dans une fenêtre relativement étroite de mise en œuvre, pour des températures de 120 ≤ T ≤130° C, ce qui correspond à Tg+80 à 90° C, respectivement.

Au cours de cette étude, en collaboration avec le plateau technique ComposiTIC de l’Université de Bretagne-Sud, la zéine plastifiée a pu être mise en œuvre par l’un de leur prototype de fabrication additive par dépôt de fil fondu. La buse de dépôt de cette imprimante 3D (Øfilière = 1 mm) est alimentée par une extrudeuse mono-vis miniaturisée (Øvis = 8 mm ; Lvis = 42 mm ; figure 4) qui permet l’obtention d’un fondu sans l’extrusion préalable d’un filament calibré, limitant ainsi l’agrégation thermique de la zéine.

L’impression 3D de ce biopolymère permet alors l’obtention de pastilles pharmaceutiques à porosité maîtrisée grâce à ses propriétés thermorhéologiques et ses capacités de fusion adhésion déterminées au cours des travaux de recherche.

Image
llustration_extrusion_imprimante_3d_zeine

Figure 4. Schéma d’illustration de l’imprimante 3D FA-DFF par extrusion-dépôt et impression 3D de la zéine plastifiée : extrusion (I-) simultanée au dépôt de fondu (II-) (a-). Zéine à l’état fondu en sortie de filière (Øfilière= 1 mm ; Vdépôt = 2 mm.s-1) et obtention de pièces imprimées cohésives, telles que des pastilles pharmaceutiques modèles, par l’adhésion des filaments juxtaposés et superposés (Øpastille_modèle = 20 mm, hpastille_modèle = 4,8 mm -soit 8 couches de filament superposées, avec un pas de déplacement vertical de 0,6 mm- ; b- et c-). Collaboration : INRAE Pays de Loire, BIA/GEPEA/ComposiTIC-IRDL.

Le dépôt de gels 

Fabrication additive et alimentation ne sont pas des termes que nous associons spontanément. Néanmoins, depuis deux à trois ans, de nombreuses applications alimentaires émergent à travers le monde. Il est d’ailleurs possible de les discriminer en deux catégories : 1) les applications liées à la créativité et au design alimentaire ; et 2) la personnalisation de l’alimentation et la conception d’aliments fonctionnels.

La première catégorie consiste le plus souvent à déstructurer un aliment et à le réimprimer sous une autre forme dans le but de le rendre plus appétent ou de lui apporter une plus-value d’un point de vue commercial. Les aliments concernés par cette forme de transformation sont essentiellement issus du monde végétal. En effet, la présence de chaînes glucidiques (amidon, pectine…) est un prérequis pour une imprimabilité correcte. L’imprimabilité d’un matériau se définit comme l’ensemble des propriétés permettant à celui-ci d’avoir une stabilité dimensionnelle suffisante pour supporter son propre poids [6]. Les aliments types utilisés pour ces impressions sont les pâtes alimentaires, les pâtes à gâteaux, ou bien encore le chocolat qui, grâce à son taux en matières grasses (lubrification de l’extrudeur) et à son point de fusion, est un bon candidat pour cette technologie. Mais, bien souvent, la présence de glucides est insuffisante pour structurer l’aliment imprimé, en partie à cause des phénomènes de cisaillement engendrés par le passage au travers de la buse. Le recours à des additifs texturants est alors nécessaire (gomme de guar, dextrane…).

La seconde catégorie, celle des aliments fonctionnels et de la personnalisation, est pour l’essentiel encore cantonnée aux laboratoires. D’ailleurs, cette catégorie peut, elle-même être scindée en deux sous-catégories en fonction de la population visée. Tout d’abord, le concept de personnalisation qui, comme le montre une étude [7], permet d’adapter la diète aux besoins de la personne en fonction de son mode de vie. Le champ d’application devient alors très vaste selon que l’on parle des enfants, des sportifs ou des sédentaires. Il devient ainsi possible de contrôler l’apport en calories et en ingrédients de façon précise. En ce qui concerne la conception d’aliments fonctionnels, une dimension thérapeutique est ajoutée. Les travaux de l’unité QuaPA (INRAE) se concentrent sur ces aspects en prenant pour population cible les personnes âgées. Le contexte mondial est tel que cette population va fortement augmenter au cours des prochaines décennies (2 milliards de personnes de plus de 60 ans en 2050, dont 434 millions de plus de 80 ans), entraînant de ce fait une hausse des pathologies liées à l’âge, et notamment le risque de malnutrition protéino-énergétique aboutissant souvent à l sarcopénie. Cette pathologie, multifactorielle, est fortement corrélée à une carence en protéines due, pour partie, à des problèmes de mastication et/ou de déglutition [8]. Dans ce contexte, l’aliment qui disparaît en premier de la diète est la viande ; or, elle constitue une source de protéines majeure et plus facilement biodisponible que les protéines d’origine végétales [9]. Mais, du côté de la fabrication additive, un verrou technologique important perdure : celui de l’utilisation de produits carnés. À l’heure actuelle, personne n’est capable d’imprimer des produits animaux sans ajouter d’additifs de type transglutaminase (enzyme interdite en France, permettant la formation de liaisons covalentes au niveau protéique) ou autres agents texturants [10]. L’évolution des tendances que nous envisageons pour l’impression d’aliments riches en protéines est schématisée dans la figure 5.

Image
impression 3D de nouveaux aliments proteines

Figure 5. Évolution envisagée pour l’impression 3D de nouveaux aliments à base de protéines dans les années à venir.

Afin de passer outre l’utilisation d’additifs, la voie du procédé est à privilégier. En effet, la texturation d’une matrice est très fortement dépendante des paramètres physiques du procédé, et en particulier de la température. Alors que la plupart des études portent sur la température et le débit d’extrusion, la température de dépôt revêt également une grande importance. Les premiers travaux de l’unité QuaPA ont donc consisté à développer une imprimante 3D capable de déposer des couches de milieu modèle (gélatine) avec des paramètres parfaitement contrôlés. La figure 6 montre les différents éléments modifiés et/ou développés à partir d’une imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) du commerce. 

Image
fig 6

Figure 6. Imprimante 3D commerciale modifiée pour l’impression d’aliments fonctionnels

Les têtes d’impression des imprimantes commerciales fonctionnent, pour la plupart, avec des moteurs pas à pas permettant d’extruder un filament. Cette technique peut être adaptée afin de fabriquer un pousse-seringue en remplaçant le système d’entraînement du filament par un réservoir munit d’un piston ou d’une vis sans fin. Lors de précédents travaux, nous avons développé une tête basée sur cette méthode de pousse-seringue, mais qui a rapidement montrée ses limites. En effet, le contrôle de la descente du piston est délicat et les vitesses dépendent de la matrice utilisée. Pour des gels relativement visqueux (mélange gélatine/polysaccharides), la rétraction pose un réel problème. Malgré une inversion de la rotation du moteur assurant le déplacement du piston, un écoulement de la matrice est constaté durant plusieurs minutes en raison de la pression accumulée à l’intérieur de la seringue. La conséquence est qu’il est très difficile de maîtriser la géométrie de l’objet imprimé. Afin de s’affranchir de ce problème, un doseur magnétique de précision a été couplé à l’imprimante. Ce système a l’avantage, grâce à un contrôle extrêmement précis de son moteur, de permettre de déposer des matrices de viscosité très différentes, allant de l’eau au gel cité ci-dessus. Ce dispositif de contrôle du débit est intégrédans un support dessiné et imprimé en acide polylactique (PLA). Celui-ci permet un montage / démontage facile du doseur pour les phases de remplissage et de nettoyage, voire de changement de consommables. Cette dernière phase n'est que très rarement optimisée sur les imprimantes 3D modifiées. Ce dispositif est composé de deux parties mobiles permettant de maintenir le doseur, et il est possible d’installer deux doseurs volumétriques sur la tête d’impression dans l’objectif d’enrichir le nombre d’ingrédients utilisés pour imprimer l’aliment. Un espace suffisant est également réservé à la mise en place d’un collier chauffant qui va permettre de réguler en température la partie utile du doseur volumétrique, buse comprise. Le plateau d’origine de l’imprimante est remplacé par une plaque d’aluminium sur laquelle est fixé un dispositif, lui aussi dessiné et imprimé, comprenant un module à effet Peltier reposant sur un dissipateur de chaleur muni d’un ventilateur. Le module Peltier est recouvert d’une plaque de verre servant de plateau d’impression, offrant ainsi une surface d’impression de 16 cm2. Les premiers résultats montrent qu’il est possible d’imprimer un gel à base de produits carnés sans additifs, en contrôlant le débit ainsi que les températures d’extrusion et surtout de dépôt (figure 7).

Maintenant, il reste à fabriquer un aliment fonctionnel qui devra présenter des propriétés texturales adaptées à la population cible, mais également permettre un apport nutritionnel optimal. En effet, la gélatine, utilisée comme milieu modèle, n’est qu’un support relativement pauvre en acides aminés essentiels. D’autres sources de protéines devront donc être intégrées, y compris, dans une démarche de développement durable, celles issues de produits carnés actuellement mal valorisés. Un autre verrou technologique reste également à surmonter : l’effet de la température d’extrusion sur la dénaturation protéique, et en particulier celle du collagène. Nos travaux ont permis de mettre en évidence qu’une température de 40° C avait déjà un impact sur la résistance à la pénétration du gel et que celle-ci décroissait de façon quasi linéaire jusqu’à 60° C (force de pénétration divisée par 3 par rapport au témoin à 20° C).

Image
Illustration controle temp tete impression 3D

Conclusions

La fabrication additive permet l’obtention de pièces comestibles à porosité contrôlée pour la libération de molécules d’intérêt nutritionnel ou thérapeutique, à partir de biopolymères. Les défis à relever maintenant, pour aller plus loin vers l’alimentation et les applications thérapeutiques personnalisées, sont multiples. Tout d’abord, il s'agit de la connaissance des interactions entre les principes actifs, ou nutriments, et les matrices biopolymères, pour la conception de modèles numériques 3D de pièces imprimées aux cinétiques de relargages optimisées. Ensuite, il y a l’amélioration des dispositifs de dépôt de matière, pour correspondre aux spécificités de la mise en œuvre de biopolymères, notamment des températures plus faibles que celles nécessaires à l’impression 3D de polymères synthétiques et pour des temps de séjour relativement courts.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier Éric LEROY et Sofiane BELHABIB (GEPEA, UMR CNRS 6144), Guy DELLA VALLE, Denis LOURDIN et sofiane GUESSASMA (BIA, UR INRAE 1268), Yves GROHENS, Yves-Marie CORRE et Erwan LENEVEU (plateau technique ComposiTIC, IRDL, UMR CNRS 6027), ainsi que Pierre-Sylvain MIRADE et Pascal TOURNAYRE (QuaPA, UR INRAE 370).

Image
Gélatine pure imprimée en 3D

Figure 7. Gélatine pure imprimée en 3D en fonction des paramètres du procédé (photos ci-desous)

Image
fabrication_additive_gelatine_pure_photo

Puisque vous êtes là...

... nous souhaiterions vous inviter à vous abonner à A3DM Magazine.

L’article que vous venez de lire est issu d’A3DM Magazine, la revue de référence en fabrication additive et en impression 3D. Pourquoi vous abonner ?

  • Pour accéder à l’ensemble des informations du secteur de la fabrication additive et de l’impression 3D, à des dossiers industriels, à des analyses techniques et des fiches pratiques, à des contenus exclusifs, aux appels d’offres et aux subventions de la Commission européenne, à des leçons d’anglais pour ingénieurs...
  • Pour garantir la liberté de ton et l’exigence professionnelle de la revue.
  • Pour soutenir le secteur de la fabrication additive et de l’impression 3D qui a besoin de médias spécialisés pour promouvoir la technologie, partager les savoirs et savoir-faire, et fédérer la communauté.

Je m'abonne

Newsletter

Ne manquez plus aucune info sur la fabrication additive