Plate-forme de Rhéologie

de l’Institut Galien Paris-Sud

Contacts :

Dr. Nicolas Huang : nicolas.huang@u-psud.fr

Pr. Florence Agnely : florence.agnely@u-psud.fr

Sarah Villebrun : sarah.villebrun@u-psud.fr

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

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.

Vous trouverez dans cette plaquette de présentation des exemples de caractérisations qu’il

est possible de réaliser sur la plate-forme de Rhéologie.

Rhéomètres rotatifs

Nous disposons de 4 rhéomètres rotatifs sur la plate-forme.

AR-G2 (TA Instruments)

RheoStress 600 (Thermo Scientific)

RheoScope 1 (Thermo Scientific)

RotoVisco 1 (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 gradient de vitesse, 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) ;

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) ;

taux de cisaillement (Pa.s)

viscosité (Pa.s)

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).

contrainte de cisaillement (Pa)

déformation (sans unité)

module élastique G’ (Pa)

module visqueux G’’ (Pa)

température (°C)

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 :

- Le RheoScope 1 est équipé d’un microscope permettant l’acquisition de films ou

d’images de produits avant, pendant et après le cisaillement.

- 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 (%)

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.

Figure 8 – Expérience de fluage mettant en évidence le caractère élastique d’une interface eau-

huile (squalène) stabilisée avec de la β-cyclodextrine.

taux de cisaillement (1/s)

contrainte normale

viscosité

viscosité (Pa.s)

contrainte normale

temps (s)

déformation (rad)

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).

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. 10). Cette mesure s’effectue à partir du profil

d’une goutte de liquide ou d’une cavité gazeuse (Fig.11).

Figure 10 - Tensiomètre dynamique à goutte Tracker (Teclis).

Figure 11 - 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. 11 et 12), 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 11 – 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.

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 12 – 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-XT2 (Stable Micro Systems)

Cet appareil (Fig. 13) 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. 13 et 14), les propriétés d’adhésion de

gels sur des surfaces modèles ou des muqueuses (Fig. 15 et 16), les propriétés de

pénétrométrie…

Figure 13 – Analyseur de texture TA-XT2 (Stable Micro Systems) et dispositif d’étude de la

seringabilité.

Figure 14 – 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)

Figure 15 – Analyseur de texture TA-XT2 (Stable Micro Systems) et dispositif d’étude de

l’adhésion des gels.

Figure 16 – 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.