Effect of sonication on the mechanical properties and the release of alginate beads and capsules

• Auteur / Autrice : Liguo Zhang
• Direction : Dominique Barthès-Biesel, Anne-Virginie Salsac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, biomécanique, biomatériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séparation (technologie)

Contraintes (mécanique)

Propriétés mécaniques

Alginates

Ultrasons

Sonification

Mots clés libres

Sonication

Stimulation ultrasonore

Billes d'alginate

Capsules d'alginate

Relargage

Compression

Coefficient de Poisson

Gels

Résumé

Nous avons étudié l’effet d’une stimulation ultrasonore sur les propriétés mécaniques et le relargage de billes et capsules d’alginate. Les capsules sont fabriquées avec le même d’extrusion que les billes, mais selon un nouveau procédé mis au point. Elles sont constituées d’un fortement visqueux entouré d’une mince membrane hyperélastique. En utilisant une technique ultrasonore de pulse-écho, nous avons d’abord montré que le gel d’alginate est quasiment incompressible et puis il a ainsi un coefficient de Poisson très proche de 0. 5. Le module de cisaillement des billes et capsules d’alginate a été mesuré par compression. Nous avons montré qu’elles retrouvent leurs propriétés mécaniques après la sonication. Cependant, le sonication peut conduire à la rupture des capsules pour des intensités élevées et/ou longues durée d’exposition à cause de la fatigue de la membrane. Un tel phénomène n’a pas été observé sur les billes. Le relargage est étudié en sonifiant des billes et capsules chargées mises en suspension. Le relargage qui résulte de la sonication des capsules est proportionnel à la durée de sonication et à l’amplitude de l’onde de pression. Une interprétation physique possible est que l’écoulement de streaming acoustique induit par l’onde ultrasonore augmente la convection à proximité de la membrane de capsule et donc le relargage. Le relargage pour les billes d’alginate augmente également avec les paramètres ultrasonores, mais dans une moindre mesure. Nous avons finalement quantifié le relargage passive après une sonication de faible intensité : il est en moyenne identique à celui mesuré sur les billes et capsules non-sonifiées. Globalement, le gel d’alginate retrouve donc ses propriétés physiques et mécaniques après la sonication. Si la sonication conduit à une augmentation de la porosité, l’augmentation est temporaire et réversible à la fin de stimulation ultrasonore.

We have investigated the effect of ultrasonic stimulation on the mechanical properties and release of alginate beads and capsules. Capsules are fabricated with the same technique of extrusion as the beads, but using a new process that has been developed. They are made of a highly-viscous liquid core enclosed in a thin hyperelastic alginate membrane. Using an ultrasonic pulse-echo technique, we have first shown that the alginate gel is quasi-incompressible and thus has a Poisson ratio very close to 0. 5. The shear modulus of the alginate beads and capsules has then been measured by compression. We have shown that they recover their mechanical properties after sonication. Still, at high intensities and/or long exposure times, sonication can lead to the rupture of the capsule membrane due to fatigue. No similar phenomenon has been observed for the beads. Release is studied by sonicating loaded beads and capsules suspended in an aqueous solution. The mass release that results from the sonication of capsules is found to be proportional to the sonication duration time and pressure wave amplitude. A possible physical interpretation is that the acoustic streaming flow induced by the ultrasonic wave enhances convection in the vicinity of the capsule membrane and thus mass release. The release from alginate beads is also increased by the ultrasonic parameters, but to a smaller extent. We have finally quantified the passive release subsequent to low-intensity sonication: it is on average identical to the one measured on non-sonicated beads and capsules. Overall the alginate gel therefore recovers its physical and mechanical properties after sonication. If sonication leads to an increase in porosity, the increase is temporary and reversible at the end of the ultrasonic stimulation.