Comportement mécanique des poudres et comprimés pharmaceutiques en compression : dépendance à la vitesse de déformation

Mechanical behavior of pharmaceutical powders and tablets in compression : dependence on the rate of deformation

• Auteur / Autrice : Léo Desbois
• Direction : Vincent Mazel, Pierre Tchoreloff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Éric Lacoste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Mazel, Pierre Tchoreloff, Éric Lacoste, Sophie Cazalbou, Alain de Ryck, Dimitri Jalocha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cazalbou, Alain de Ryck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoplasticité

Viscoélasticité

Contraintes (mécanique)

Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Comportement mécanique

Compression

Viscoelasticité

Viscoplasticité

Pharmaceutical tablet

Friction coefficient

Viscoelasticity

Viscoplasticity

Résumé

Le comprimé est la forme pharmaceutique la plus répandue du fait des nombreux avantages qu’elle présente. Il est obtenu par une opération de compression à froid en matrice à partir de grains de poudre dont la taille est de l’ordre de 100µm. Contrairement à d’autres domaines où la compression en matrice est utilisée comme les céramiques ou les métaux, les cadences de production des comprimées pharmaceutiques sont très élevées et l’opération de compression en elle-même dure quelques millisecondes. Bien que le procédé de compression en matrice soit utilisé depuis plus d’un siècle, un certain nombre de problèmes restent encore à comprendre. Il est par exemple bien connu que la vitesse de compression a un impact important sur les propriétés finales du comprimé mais aussi sur l'apparition de certains défauts comme le clivage. Si cet impact a été mis en évidence dans de nombreuses études, une analyse fine des phénomènes physiques sous-jacents reste à construire. Ce type de phénomène est désigné par le terme de "sensibilité à la vitesse de déformation" mais différents mécanismes y participent comme le frottement entre la matrice et le comprimé ou la viscoélasticité et la viscoplasticité du comprimé. Ce travail de recherche a eu pour objectif de développer une meilleure compréhension et description de ces trois mécanismes à travers la mise en place de méthodologies expérimentales permettant de les étudier séparément et l'utilisation de modèles, analytiques et numériques, permettant leur description.La variation du coefficient de frottement dynamique en fonction de la vitesse de glissement a d'abord été étudiée. Il a été possible de montrer que dans le cas de la lubrification avec du stéarate de magnésium, ce coefficient de frottement varie de manière logarithmique avec la vitesse de glissement. Ce type de comportement a été intégré dans les modèles de simulation numérique. Ensuite, un protocole original a permis de caractériser le comportement viscoélastique des comprimés. Il a été mis en évidence que la viscoélasticité était présente à la fois dans les composantes déviatorique et isostatique des déformations. Ce comportement a été modélisé à l'aide de séries de Prony par une approche analytique puis numérique. Ceci a permis de montrer pour certains matériaux l'importance de la viscoélasticité sur les temps caractéristiques courts représentatifs des temps de compression. Enfin, la partie viscoplastique de la dépendance à la vitesse de déformation a été étudiée notamment à travers l'utilisation d'essais de type écrouissage en faisant varier les vitesses de compression et les temps de relaxation. Ces essais ont permis de caractériser le comportement viscoplastique de certains matériaux et de faire apparaître certains phénomènes non décrits pour les matériaux pharmaceutiques s'apparentant à du vieillissement dynamique sous déformation. De plus, il apparaît que les vitesses de compression accessibles sur la machine utilisée (0,01mm/s - 100mm/s) sont très supérieures à une vitesse qui pourrait permettre de considérer les déformations plastiques comme quasi-statique.

The tablet is the most popular pharmaceutical form because of its many advantages. It is manufactured a die compaction process using powder grains whose size is of the order of 100µm. Unlike other fields where die compaction is used such as ceramics or metals, the production rates of pharmaceutical tablets are very high and the compression operation itself takes a few milliseconds. Although the die compaction process has been in use for over a century, a number of issues remain to be understood. It is for example well known that the compression speed has a significant impact on the final properties of the tablet but also on the appearance of certain defects such as capping. While this impact has been demonstrated in numerous studies, a detailed analysis of the underlying physical phenomena remains to be constructed. This type of phenomenon is designated by the term strain rate sensitivity, but different mechanisms participate in it, such as the friction between the die and the tablet or the viscoelasticity and viscoplasticity of the tablet. The objective of this research was to develop a better understanding and description of these three mechanisms through the establishment of experimental methodologies allowing them to be studied separately and the use of models, analytical and numerical, allowing their description.The variation of the dynamic coefficient of friction as a function of the sliding speed was first studied. It has been possible to show that in the case of lubrication with magnesium stearate, this coefficient of friction varies logarithmically with the sliding speed. This type of behavior has been integrated into numerical simulation models. Then, an original protocol made it possible to characterize the viscoelastic behavior of the tablets. It was demonstrated that viscoelasticity was present in both the deviatoric and isostatic parts of the deformations. This behavior was modeled using Prony series by an analytical and numerical approach. This made it possible to show for certain materials the importance of viscoelasticity on the short characteristic times representative of the compression times. Finally, the viscoplastic part of the dependence on the strain rate has been studied in particular through the use of strain hardening type tests by varying the compression speeds and the relaxation times. These tests made it possible to characterize the visoplastic behavior of certain materials and to reveal certain phenomena, not described for pharmaceutical materials, which are similar to dynamic strain aging. Moreover, it appears that the speeds of compression accessible on the machine used (0.01mm/s - 100mm/s) are much higher than a speed which could make it possible to consider the plastic deformations as quasi-static.