Loi de comportement mécanique des poudres et comprimés pharmaceutiques en compression: aspect de viscoélasticité et viscoplasticité

par Léo Desbois

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Vincent Mazel et de Pierre Tchoreloff.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de MPI : Matériaux, Procédés et Interactions (equipe de recherche) depuis le 14-09-2018 .


  • Résumé

    Contexte Le comprimé est la forme pharmaceutique la plus répandue du fait des nombreux avantages qu'elle présente tant sur le plan de sa fabrication que sur celui de sa prise par le patient. Il est réalisé lors d'une opération de compression en matrice, de grains de poudre dont la taille est de l'ordre de 100 µm. Bien que le procédé de compression en matrice soit utilisé depuis plus d'un siècle, un certain nombre de problèmes restent encore à comprendre et à élucider. Parmi eux, le phénomène de clivage (« capping ») correspond à la rupture du comprimé au cours ou après son éjection. Ce sujet de thèse s'insère dans le projet CliCoPha, soutenu par l'ANR, qui s'intéresse au phénomène de clivage des comprimés pharmaceutiques. L'approche du projet est à la fois expérimentale et numérique, basée sur la mécanique des matériaux et la mécanique de la rupture. Elle est basée sur deux axes : l'étude des contraintes auxquelles est soumis le matériau au cours de la compression (et notamment au cours de la phase de décompression) et la définition d'un critère de rupture adapté au compact pharmaceutique permettant de prévoir si la rupture peut avoir lieu en fonction de la sollicitation. Objectifs de la thèse La thèse s'inscrit dans la partie du projet qui s'intéresse à déterminer les contraintes subies par le comprimé tout au long du cycle de compression. Cette approche repose notamment sur l'utilisation de la modélisation numérique afin d'avoir accès à la distribution des contraintes et des densités dans le matériau au niveau local. Actuellement, cette approche est présente dans la littérature, avec notamment des contributions issues de notre équipe, à travers la modélisation par éléments finis (FEM). Le modèle de comportement mécanique utilisé est celui de Drucker-Prager Cap couplé à l'élasticité linéaire. Si cette approche a permis de mettre en évidence qualitativement certains aspects de la compression (répartitions de densité, etc.), nos études montrent que notamment la phase de décompression, qui est essentielle dans le phénomène de clivage, est très mal représentée par ce type modèle. Une des grandes limitations de ce modèle est son indépendance vis-à-vis du temps. Les phénomènes viscoélastiques et viscoplastiques sont ainsi négligés. Or de nombreuses études montrent que ces phénomènes existent bel et bien pour les comprimés pharmaceutiques (effets de la cinématique de compression sur la déformation, relaxation post compression, etc.). La caractérisation de ces phénomènes et leur modélisation à travers des lois de comportement adaptées représentent le principal objectif de ce travail. Il s'agira de choisir et de mettre en place des essais de sollicitations adaptés permettant de mettre en évidence et de caractériser le comportement de la poudre tant du point de vue viscoélastique que viscoplastique. Ces essais peuvent être envisagés de deux manières : sur les presses à comprimer avec sollicitation et mesure in situ dans la matrice et sur des presses d'essais avec mesure sur les comprimés après éjection. Dans le cadre de cette thèse les deux approches sont envisagées notamment à travers l'utilisation de tests de relaxations ou de sollicitations cycliques novateurs dans le domaine pharmaceutique. Après la mise en place des essais, des campagnes pourront être lancées pour la caractérisation de différents types de poudres pharmaceutiques aux propriétés mécaniques variées. Il s'agira ainsi de dégager des grandes familles de comportement afin de pouvoir passer ensuite à la phase de modélisation. Il conviendra aussi de comprendre l'effet de la porosité du comprimé sur ces phénomènes en menant les études sur des comprimés du même produit obtenus sous différents efforts de compression.

  • Titre traduit

    Mechanical behavior of pharmaceutical powders and tablets :viscolelasticity and viscoplasticity


  • Résumé

    Context The tablet is the most common pharmaceutical form because of its numerous advantages. It is manufactured using die-compression of powders with a grain size around 100µm. Even if this process is used for more than a century, classical problems during manufacturing are still to be solved. Among them, “capping “corresponds to the separation of the top of the tablet during or after the ejection. This PhD proposal is part of the CliCoPha project, funded by the French National Agency for Research, which is focused on understanding the capping of pharmaceutical tablets. The approach of the project is both experimental and numerical and is divided into two aspects: characterization of the stresses applied to the tablet during the whole compaction cycle and definition of a failure criteria for a pharmaceutical tablets to predict the failure as a function of the applied stresses. PhD objectives This PhD proposal belongs to the part of the project about the determination of the stresses applied to the tablet. This approach uses numerical modeling to access the stress and density distributions inside the tablet. The Finite element method is normally used and the mechanical behavior is classically represented by the Drucker-Prager Cap model for plastic deformation along with linear elasticity. Even if this approach made it possible to improve our understanding of the compaction process, our results show that the unloading part of the compaction cycle, which is fundamental in the capping phenomenon, is badly represented using this kind of model. One of the great limitation is that the model used is time independent, i.e. viscoelastic and viscoplastic phenomena are neglected. Nevertheless, several article have demonstrated the importance these phenomena (influence of compaction speed, post compaction relaxation, etc.). The characterization of these phenomena and their mathematical modelling is the principal objective of this work. The first step will be to build an experimental methodology to characterize both viscoelasticity and viscoplasticity. Experiments could be performed in die on the press or on the compact after ejection. Both methodology will be tried using for example stress relaxation experiments or cyclic load applications. Several kind of pharmaceutical products will be used and characterized. Afterwards, the aim will be to propose a mathematical model to represent the viscous phenomena. The influence of the tablet porosity on the viscoelastic/plastic behavior will also be an important point.