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Plate-forme de Rhéologie
de l’Institut Galien Paris-Sud
Contacts :
Dr. Nicolas Huang : [email protected]
Pr. Florence Agnely : [email protected]
Fanny Simelière : [email protected]
L’Institut Galien Paris-Sud est dotée, pour ses propres activités de recherche, d’une
plate-forme de Rhéologie située en Tour B, 1er étage, au sein de l’équipe 3 de Physique
Pharmaceutique.
L’équipe de recherche collabore régulièrement avec des partenaires industriels et
académiques et apporte son expertise, en particulier dans l’étude et le développement de
produits pharmaceutiques et cosmétiques innovants. Les moyens proposés pour
mesurer la viscosité sont conformes aux indications données par la Pharmacopée
Européenne.
Notre gamme d’appareils comprend des rhéomètres rotatifs, un viscosimètre capillaire, un
viscosimètre microfluidique, un tensiomètre dynamique à goutte et un analyseur de texture.
Les appareils de mesure équipant la plate-forme de Rhéologie permettent ainsi une
caractérisation rhéologique et texturale complète des produits, en mesurant aussi bien
leurs propriétés volumiques que leurs propriétés interfaciales. Ce parc instrumental est
également complété par un granulomorphomètre et un Turbiscan.
Vous trouverez dans cette plaquette de présentation des exemples de caractérisations qu’il
est possible de réaliser sur la plate-forme de Rhéologie.
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Rhéomètres rotatifs
Sur la plateforme, nous disposons de 2 rhéomètres rotatifs AR-G2 et RheoStress 600
pouvant réaliser des expériences en écoulement, en oscillation ou en fluage / relaxation.
AR-G2 (TA Instruments)
RheoStress 600 (Thermo Scientific)
Les rhéomètres rotatifs sont des appareils précis et puissants donnant la signature
rhéologique des matériaux. Ils permettent, entre autres :
- de mesurer la viscosité en fonction du taux de cisaillement, et donc de déterminer si un
matériau est newtonien ou non, et comment il se comporte en pratique (la viscosité influant
grandement sur la formulation, la production ou l’application d’un produit) (Fig. 1) ;
3
Figure 1 – Viscosité en fonction du taux de cisaillement pour une solution aqueuse de
carraghénane à 1%.
- de suivre l’évolution d’un matériau dans le temps (par exemple, cinétique de réticulation
d’un polymère, de gonflement de gouttelettes d’une émulsion ou de restructuration d’un
matériau) (Fig. 2) ;
Figure 2 – Suivi de la cinétique de gonflement/rupture d’une émulsion multiple grâce à la
courbe de la viscosité de l’émulsion en fonction du temps.
- de mettre en évidence des transitions (par exemple, température de gélification d’un
polymère, réticulation, transition de phase) (Fig. 3) ;
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Figure 3 – Détermination de la température de gélification à partir des modules élastique G’ et
visqueux G’’ pour une suspension de nanoparticules lipidiques solides immergées dans un
mélange de fluide vaginal simulé et de poloxamer 407.
- de déterminer des contraintes critiques de fluides à seuil (Fig. 4) ;
Figure 4 – Détermination de la contrainte critique d’une solution de Laponite 4%.
- de déterminer le régime linéaire (gamme de contraintes où la structure du matériau est
inchangée) et d’analyser les propriétés viscoélastiques d’un matériau (expériences en
oscillation) (Fig. 5).
module élastique G’ (Pa)
module visqueux G’’ (Pa)
température (°C)
5
Figure 5 – Détermination du régime linéaire d’un gel de poloxamer 407 à 24% à 70 °C.
_________________________
Diverses géométries de cisaillement sont disponibles : cônes-plans, plans-plans dont un
strié, cylindres coaxiaux dont un double entrefer, croisillons. Un plan Peltier permet de
réguler la température avec une précision de 0,01 °C, et sur une plage de 0 à 90 °C.
Par ailleurs, l’AR-G2 possède un capteur de forces normales pour l’étude des propriétés
viscoélastiques des matériaux en écoulement (Fig. 6). En outre, l’AR-G2 est équipé d’une
nouvelle cellule interfaciale (le DWR : Double Wall Ring, ou anneau à double entrefer)
permettant la mesure en cisaillement des propriétés d’une interface liquide-liquide ou
liquide-gaz (modules élastique et visqueux à l’interface) (Fig. 7 et 8).
module élastique G’
module visqueux G’’
Déformation (%)
6
Figure 6 – Augmentation de la contrainte normale et de la viscosité en fonction du taux de
cisaillement pour une solution concentrée d’amidon de maïs.
Figure 7 – Cellule interfaciale DWR de l’AR-G2.
7
Figure 8 – Expérience de fluage mettant en évidence le caractère élastique d’une interface eau-
huile (squalène) stabilisée avec de la β-cyclodextrine.
Viscosimètre capillaire AVS 400 (Schott-Geräte)
Le viscosimètre capillaire (Fig. 9) permet de déterminer avec une grande précision la
viscosité des liquides newtoniens (jusqu’à 10-3 mPa.s). Il permet ainsi de déterminer la
masse molaire moyenne viscosimétrique de certains polymères, la viscosité d’une
solution de polymères étant liée à la masse molaire moyenne viscosimétrique de ce
polymère.
Figure 9 – Dispositif pour viscosimètre capillaire AVS 400 (Schott-Geräte).
8
Viscosimètre microfluidique microVISC (Rheosense)
Le viscosimètre microfluidique (Fig. 10) permet de mesurer avec rapidité et précision la
viscosité de liquides newtoniens ou non newtoniens, en utilisant de très faibles volumes
(500 µL).
Figure 10 – Viscosimètre microfluidique microVISC (Rheosense)
Tensiomètre dynamique à goutte Tracker (Teclis)
Le tensiomètre dynamique à goutte Tracker (Teclis) mesure la tension interfaciale à des
interfaces liquide-liquide ou liquide-gaz (Fig. 11). Cette mesure s’effectue à partir du profil
d’une goutte de liquide ou d’une cavité gazeuse (Fig.12).
9
Figure 11 - Tensiomètre dynamique à goutte Tracker (Teclis).
Figure 12 - Goutte d’huile (squalène) dans de l’eau.
En faisant varier sinusoïdalement le volume de la goutte ou de la cavité gazeuse, il est
également possible de mesurer en dilatation les propriétés rhéologiques interfaciales de
la goutte (modules élastique et visqueux à l’interface) (Fig. 12 et 13), et donc de caractériser
l’élasticité de l’interface. Cela permet par exemple de comparer la stabilité d’émulsions en
évaluant leur résistance à la coalescence.
Notez que les mesures des propriétés interfaciales en dilatation (avec l’AR-G2) et en
cisaillement (avec le Tracker) sont complémentaires, la sollicitation de l’interface n’étant pas
la même.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
9
10
11
temps (s)
8
10
12
14
16
Tension interfaciale (mN/m) Volume (µL)
Figure 12 – Variation sinusoïdale imposée au volume d’une goutte d’huile de gingembre dans
de l’eau (interface stabilisée avec de la -cyclodextrine) et évolution de la tension interfaciale
dans le temps.
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0
5
10
déphasage (°)Module (mN/m)
Réel E'
Imaginaire E"
Temps (s)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Figure 13 – Modules élastique E’ et visqueux E’’ et déphasage en fonction du temps d’une
goutte d’huile de gingembre dans de l’eau (interface stabilisée avec de la β-cyclodextrine).
Analyseur de texture TA-XT PLUS (Stable Micro Systems)
Cet appareil (Fig. 14) permet l’enregistrement de la force appliquée sur un mobile en
fonction de son déplacement soit en compression, soit en traction. Ces mesures, suivant le
mobile et le dispositif de fixation utilisés, permettent d’étudier des propriétés texturales
variées sur un grand nombre de systèmes d’intérêt pharmaceutique, cosmétique ou
biomédical. Cet appareil est un outil de choix pour corréler la physico-chimie de ces
systèmes à leurs propriétés d’usage. On peut citer en particulier les propriétés de
seringabilité de formulations liquides ou semi-liquides destinées à l’injection (Fig.14 et 15),
les propriétés d’adhésion de gels sur des surfaces modèles ou des muqueuses (Fig.16 et
17), les propriétés de pénétrométrie, les propriétés en traction de films…
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Figure 14 – Analyseur de texture TA-XT PLUS (Stable Micro Systems) et dispositif d’étude de la
seringabilité.
Figure 15 – Force d’injection en fonction du déplacement du piston de la seringue pour
différents gels de poloxamer et d’acide hyaluronique (aiguille 27G).
0
5
10
15
0 10 20 30 40
déplacement (mm)
forc
e (
N)
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Figure 16 – Analyseur de texture TA-XTPLUS (Stable Micro Systems) et dispositif d’étude de
l’adhésion des gels.
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Figure 17 – Courbes force-élongation obtenues avec des hydrogels de poloxamer et
d’hydroxypropylmethylcellunose (HPMC) avant (■) et après (□) dilution par du fluide vaginal
simulé lors de la rupture du joint entre le gel et une muqueuse vaginale de porc.
La plateforme est également équipée d’un granulomorphomètre Flowcell (occhio) (Fig.
18) permettant de caractériser la taille et la forme de particules en suspension ou de
gouttelettes d’émulsion ainsi qu’un Turbiscan (Formulaction) (Fig. 20) pour étudier la
stabilité de systèmes dispersés au cours du temps.
Figure 18 – Granulomorphomètre Flowcell FC200S+HR (Occhio)
Figure 19 – Exemple d’histogramme et de cliché obtenus pour l’étude d’une émulsion à partir
du granulomorphomètre
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Figure 20 –Turbiscan Ma2000 (Formulaction)
