Problématique / Besoin :
Les mesures rhéologiques ne sont que partiellement établies dans l'industrie pharmaceutique. Pour déterminer la viscosité, souvent une seule détermination de point est effectuée, tandis que le comportement rhéologique sur une certaine plage de taux de cisaillement n'est pas pris en compte. Le but de ce travail était de déterminer et d'illustrer les courbes d'écoulement et les courbes de viscosité de la méthylcellulose à différentes concentrations et taux de cisaillement avec un rhéomètre compact modulaire Anton Paar (MCR), tout en répondant aux conditions requises par la monographe M52230. De plus, l'importance du comportement du produit médical à différents taux de cisaillement dans les domaines d'application respectifs est discutée.
Méthode utilisée / Réponse apportée :
La méthylcellulose est une substance couramment utilisée dans l'industrie pharmaceutique. Il est utilisé comme :
La méthylcellulose est une poudre hydrophile blanche, inodore, non toxique, avec une bonne solubilité dans l'eau froide. Elle gonfle lentement pour former une dispersion colloïdale. La solubilité dans l'eau diminue avec l'augmentation de la température à partir d'environ 50° C. Une solution visqueuse semblable à un gel se forme (comportement de gélification thermique). Ainsi, la solubilité de la méthylcellulose est très dépendante de la température de l'eau (soluble en dessous de 40° C).
Il existe une large gamme d'applications pour la méthylcellulose, allant des solutions à très faible viscosité aux substances hautement visqueuses. Quelques-unes des applications pratiques comprennent des médicaments tels que des gouttes pour les yeux, des solutions pour perfusion et des crèmes à la gélatine, ainsi que de la poudre solide en comprimés. Dans les gouttes oculaires, la méthylcellulose devrait contribuer à la capacité du liquide à mouiller l'oeil entier. Mais dans les solutions pour perfusion, il doit y avoir une viscosité qui correspond à celle du sang afin que le flux laminaire dans les vaisseaux sanguins soit maintenu. En raison de la nature dynamique des propriétés physiques de la méthylcellulose, ainsi que des effets potentiellement néfastes sur la vie des produits finis dans lesquels elle est incluse, la capacité d'analyser de manière fiable et de quantifier avec précision ses valeurs de viscosité dans diverses conditions est extrêmement importante.
Viscosité
La viscosité décrit le frottement interne des substances. Les liquides tels que l'eau et les huiles sont idéalement visqueux ou connus sous le nom de liquides newtoniens. Cela signifie que la viscosité ne change pas à des taux de cisaillement différents. Cependant, la plupart des liquides et des substances viscoélastiques modifient en fait leur viscosité à des taux de cisaillement différents, montrant un comportement de fluidification par cisaillement ou d'épaississement par cisaillement. L'amincissement par cisaillement décrit l'effet d'une viscosité décroissante à des taux de cisaillement plus élevés. En revanche, les matériaux épaississants par cisaillement afficheront une viscosité croissante à des taux de cisaillement plus élevés.
Pour les fluides newtoniens, une mesure de viscosité en un seul point serait suffisante, car la viscosité ne change pas sur une large plage de taux cisaillement. La situation est différente pour les liquides qui ne présentent pas de comportement newtonien. Si seule la viscosité à un certain taux de cisaillement est déterminée, aucune déclaration ne peut être faite sur les propriétés de viscosité (fluidification par cisaillement ou épaississement par cisaillement) de la substance. Seule une analyse sur une large plage de taux de cisaillement, une détermination de la viscosité à points multiples, fournit des informations sur la viscosité. De plus, il convient de noter que des systèmes de mesure absolus sont utilisés pour un rhéomètre, tandis que les viscosimètres fonctionnent avec des systèmes de mesure relatifs. L'avantage des systèmes de mesure absolus est que des valeurs absolues sont déterminées (ici la viscosité). Contrairement aux systèmes de mesure relatifs, les systèmes de mesure absolus satisfont à des conditions de cisaillement clairement définies qui sont définies par des normes spécifiques aux systèmes de mesure, telles que ISO 3219 et DIN 53019.
Configuration expérimentales et préparation des échantillons
Les mesures ont été effectuées sur un ViscoQC et sur un rhéomètre compact modulaire (MCR) d'Anton Paar. Avec le ViscoQC, les mesures ont été effectuées avec des systèmes de mesure à broche; et pour le MCR, les mesures ont été effectuées avec un système de mesure cône-plan (CP). Afin de confirmer les données de mesure, une double détermination a été effectuée dans chaque cas.
Des solutions de méthylcellulose de 1, 2, 3 et 5% p/p ont été préparées comme décrit dans la monographie M52230. Une masse d'échantillon de 500g est recommandée pour les mesures avec le ViscoQC.
La poudre de méthylcellulose a été placée dans une bouteille à col large refermable selon la concentration, qui a ensuite été remplie jusqu'à 500 g avec de l'ea distillée chaude (environ 90° C). La suspension a été agitée pendant 15 minutes à une vitesse de rotation de 450 tr / min. Ensuite, l'échantillon a été agité à 450 tr / min pendant 45 minutes dans un bain de glace maintenu à une température inférieur à 5° C.
La vitesse de rotation dépendait de la viscosité approximative de la méthylcellulose. La broche (étiquetée chacune avec un numéro de rotor) et la vitesse de rotation définie pour la mesure ont été utilisées comme décrit dans la monographie M52230. Selon la monographie M52230, les mesures doivent être effectuées à 20° C. Puisqu'il n'est pas possible d'ajuster la température de cette quantité d'échantillon avec le ViscoQC, la température des solutions de méthylcellulose a dû être contrôlée dans une chambre climatique à 19° C pendant la nuit, afin que les mesures puissent être effectuées à 20° C, car l'échantillon a été réchauffé par l'environnement à température contrôlée avec un Peltier PT100.
Un P-PTD (Plate-Peltier Temperature Device) a été utilisé pour contrôler la température des échantillons à 20° C. Cet appareil permet de réguler la température rapidement (en quelques minutes seulement), et seule une petite quantité d'échantillon (environ 1 mL) est nécessaire.
Résultats et discussion
Des mesures de viscosité en un seul point ont été effetuées avec la configuration et les réglages de mesure relatifs tels que décrits dans M52230. Les mesures ont été effectuées à 20° C. Comme prévu, une viscosité croissante peut être observée pour des concentrations croissantes. L'augmentation de viscosité était d'environ un ordre de grandeur entre les concentrations de méthylcellulose choisies.
Des mesures de viscosité multipoints avec une configuration de mesure absolue sur une large plage de taux de cisaillement ont été effectuées. Les viscosités dépendantes du taux de cisaillement des solutions de méthylcellulose avec différentes concentrations ont été étudiées. Les systèmes de mesure utilisés dépendaient de la viscosité et ont été sélectionnés par un contrôle visuel de l'échantillon - s'il était aqueux ou gélifié. Toutes les solutions de méthylcellulose ont présenté le même comportement général. La viscosité était constante à de faibles taux de cisaillement, puis diminuait continuellement avec des taux de cisaillement croissants. Il s'agit d'un comportement de fluidification par cisaillement. Dans la plage de taux de cisaillement faible, il y avait une région où la viscosité restait constante. Ce plateau est appelé plage de "viscosité sans cisaillement".
Ce comportement peut s'expliquer par le fait que les longues moléculs de polymère non réticulées forment des amas énergétiquement favorables, contrecarrant le démêlage induit par le cisaillement des chaines de polymère lorsqu'une telle substance est au repos ou lorsque le taux de cisaillement s'approche de zéro. Si le taux de cisaillement est augmenté, alors les molécules se démêlent et s'alignent, et par conséquent la résistance à l'écoulement (et donc la viscosité) diminue. Cet effet de démêlage se produit à des concentrations plus élevées, même à de faibles taux de cisaillement. Ainsi, avec l'augmentation de la concentration, le comportement de fluidification par cisaillement apparait déjà à un taux de cisaillement inférieur.
Il est important de déterminer les valeurs de viscosité sur une large plage de taux de cisaillement. Les courbes d'écoulement mesurées avec le MCR ont montré un comportement clair d'amincissement par cisaillement pour les solutions de méthylcellulose, qui ne peut pas être détecté avec une mesure en un seul point. Les valeurs de viscosité obtenues avec le système de mesure MCR (CP) ont été prises à partir des points de mesure dans la plage de viscosité à cisaillement zéro.
Conclusion
Les mesures ont montré que les mesures ponctuelles peuvent donner des résultats rapides; mais ils ne donnent pas nécessairement une vue d'ensemble. En particulier, les liquides non newtoniens comme les solutions polymères présentent un comportement dépendant du taux de cisaillement. Par conséquent, des tests rhéologiques sur une large plage de taux de cisaillement peuvent fournir des informations et une valeur ajoutée essentielles. Lorsqu'une détermination précise des courbes de viscosité est souhaitée, il est recommandé de disposer :
