2.2.1 Les critères de choix
Le choix du matériau d’étude doit être fait judicieusement. Dans un souci de gain de temps, notre choix s’est orienté vers des molécules dont les procédés de cristallisation étaient déjà décrits dans la littérature. Une étude bibliographique préalable a permis d’orienter le choix de ce solide.
La recherche bibliographique a été envisagée selon les critères de sélection suivants : la toxicité du solide, le profil polymorphique et le coût/accessibilité.
2.2.1.1 Toxicité
Différents facteurs peuvent influencer le niveau de toxicité d’un produit. A titre d’exemples, peuvent être cités la voie d’administration, la dose pénétrant dans l’organisme, la toxicité chimique et l’élimination par l’organisme.
Une analyse de plusieurs solides a été effectuée en relation avec les éléments d’éti- quetage du règlement CLP (de l’anglais Classification Labelling and Packaging of substances and mixtures). Parmi ces éléments, figure une mention dite de danger codifiée par une lettre H suivie de trois chiffres précisant la nature du danger. Rap- pelons que la toxicité d’un produit chimique ne peut pas être modifiée. A cet égard, on a cherché à éviter les produits qui pourraient provoquer le cancer (H350-H351), les produits mortels, toxiques ou nocifs en cas d’inhalation (H330-H331-H332), les produits toxiques ou mortels en cas d’ingestion (H300-H301), les produits toxiques ou mortels par contact cutané (H310-H311) et aussi les produits qui pourraient avoir des effets sur les organes (H370 à H373).
2.2.1.2 Profil polymorphique
La cristallisation d’un composé est un procédé complexe parce qu’il résulte de la compétition de nombreux mécanismes comme la nucléation et la croissance des
différentes formes cristallines et la transformation des formes métastables vers des formes stables. À cet égard, il est préférable de travailler avec un composé pour lequel des données sur l’influence des différentes conditions opératoires lors de la cristallisation ou encore lors des opérations de mise en forme sont disponibles. Pour étudier l’influence du polymorphisme ou la présence d’amorphe le solide choisi doit présenter au moins deux polymorphes et éventuellement une forme amorphe. De plus les différentes structures doivent être suffisamment stables afin de nous donner le temps de les caractériser. Enfin, il est nécessaire de travailler avec des produits non thermosensibles, afin d’éviter leur dégradation lors de l’analyse CGI.
2.2.1.3 Accessibilité/prix
Le choix du solide passe non seulement par la prise en considération de sa toxicité ou sa simplicité polymorphique, mais aussi par le critère coût. Les produits pharmaceutiques sont, le plus souvent, à un prix relativement élevé. Les prix d’un principe actif varient notamment en fonction de la pureté. À cet égard, la facilité d’acquisition du solide dépend donc des ressources disponibles mais aussi de la fiabilité du fournisseur.
2.2.1.4 Informations rassemblées sur quelques principes actifs pharmaceu- tiques
Le tableau2.1 qui compare plusieurs solides selon les critères de toxicité, polymor- phisme et coût, nous a permis d’orienter le choix du solide à étudier.
Au final, en respectant les différents critères fixés ; non toxicité, stabilité des formes polymorphes, stabilité thermique, disponibilité chez un fournisseur à un coût modéré, nous avons choisi de travailler avec le mannitol.
2.2.2 Le mannitol : état de l’art
Le mannitol, ou (2R,3R,4R,5R)-hexane-1,2,3,4,5,6-hexol selon les règles officielles de la nomenclature UICPA, est un polyol de formule brute C6H14O6 et de masse
molaire 182.17 g.mol−1 (figure2.1). Il est présent dans les animaux et les plantes mais
aussi, en plus faible quantité, dans la plupart des légumes. Le mannitol est le produit d’hydrogénation du mannose et c’est un diastéréoisomère du sorbitol (figure2.2). Il a un goût sucré, doux comme le glucose mais moins fort que celui du saccharose. Le mannitol est largement utilisé dans les formulations pharmaceutiques et les pro- duits alimentaires. Dans les préparations pharmaceutiques, il est principalement utilisé en tant que diluant dans les formulations de comprimés (de 10 à 90 % en m/m). Grâce à sa propriété non cariogène et sa fraîcheur en bouche, il est couramment utilisé dans la formulation de comprimés mâchables ou de désintégration rapide dans la cavité buccale. La non-hygroscopie du D-mannitol fait de lui un excipient particulièrement utile dans la formulation de médicaments sensibles à l’humidité (R. C. Rowe et al., 2012). D’autre part le métabolisme du mannitol n’induit pas d’augmentation de la teneur en sucre dans le sang, permettant ainsi son utilisation
Tab. 2.1 : Évaluation de quelques solides d’intérêt pharmaceutique selon les critères toxicité, profil polymorphique et coût.
Principe actif Formes Prix
Toxicité
Xinafoate de salmétérol
I, II et un amorphe 10 mg à 144e – (98%) S
N’est pas une substance dangereuse selon le SGH
Glycine α, β, γ et un amorphe 250 g à 159e – S
N’est pas une substance dangereuse selon le SGH
Hydrocortisone I, II et un amorphe 1 g à 33,80e – (98%) S
H361
Acide déoxycholique 10 g à 22,10e – (99%) S
25 g à 34e – (99%) F
H302, H315, H319, H336
Indométacine α, δ, γ et un amorphe 100 g à 327,5e – (>99%) S
H300
Sulfathiazole I, II, III, IV, V et un amorphe 250 mg à 27e
250 g à 56e – (>98%) F
H302, H315, H319, H335
Eflucimibe A, B et un amorphe
Les études de toxicité n’ont pas encore été menées
α-lactose anhydre, un monohydrate et un
amorphe
1 kg à 41e – S
N’est pas une substance ni un mélange dangereux
Carbamazépine I, II, III, IV et un amorphe 1 g à 26,4e – S 5 g à 114e – S-A 1 g à 33e – F
H302, H317, H334
Rifampicine I, II et un amorphe 5 g 300e – (>97%) S
H302, H315, H319, H335
Mannitol α, β, δ, un hémihydrate et un
amorphe 100 g 27,7e – (98%) S
N’est pas une substance dangereuse selon le SGH
Progesterone I, II, III, IV, V et un amorphe 25 g à 106,5e – (>99%) S
H317, H351, H360
Griséofulvine I et un amorphe 5 g à 41,30e – S
5 g à 65,70e – S 250 g 28e – F
H351
Félopidine I et un amorphe 5 mg à 107e
25 mg à 427e
H302
Paracétamol I, II et un amorphe 1 kg à 300e
1 kg à 90e H302, H315, H319, H335 Sulfate de salbutamol I, II et un amorphe 250 mg à 400e – (>98%) 250 mg à 40e – (analytique) H302
Fournisseurs – S : Sigma & Aldrich ; F : Fluka
Fig. 2.1 : Structure chimique du D-mannitol en 3-D. Les sphères rouges et grises représentent l’oxygène et le carbone alors que les bâtons blancs représentent l’hydrogène.
OH OH OH OH OH HO D-mannitol D-sorbitol
Fig. 2.2 :Représentation de Fischer du D-mannitol (à gauche) et de son isomère le D-sorbitol (à droite).
dans les formulations destinées aux diabétiques (Bauer, 2004).
De plus, le mannitol est l’un des excipients les plus courants dans les produits pharmaceutiques lyophilisés grâce à sa tendance à cristalliser à partir de solutions aqueuses froides et au point de fusion relativement élevé du mélange eutectique mannitol/glace (N. A. Williams et al., 1986; Yonemochi et al., 2006).
Comme nous le verrons par la suite, il existe plusieurs publications relatives au polymorphisme du mannitol, cependant elles sont incomplètes, assez confuses et même parfois contradictoires. Le D-mannitol peut exister sous 4 formes cristallines, 3 formes anhydres α, β et δ incluant une forme hydrate (hémihydrate) et une amorphe (Burger,1979). La forme δ est liée aux formes α et β par une relation d’énantiotropie.
Les formes α et β cristallisent dans un système orthorhombique et la forme δ est monoclinique. Le polymorphe β est le plus stable à température ambiante alors que le mannitol hydrate est connu pour être physiquement instable et se transforme en forme anhydre aux conditions ambiantes.
Une caractéristique spécifique de ce système polymorphe est la stabilité cinétique des formes métastables α et δ. A titre d’exemple, le polymorphe δ peut être «stable» pendant une période d’au moins 5 ans à température ambiante, s’il est conservé dans un milieu sec. De plus, soumis à diverses contraintes mécaniques telles qu’un broyage de faible impact ou le compactage, il n’y a pas de transformation vers la forme la plus stable à température ambiante (Burger et al., 2000). La stabilité des
formes polymorphes est particulièrement importante pour permettre leur stockage pendant le laps de temps nécessaire à leur étude physico-chimique. Les conditions de conservation des produits pharmaceutiques telles que l’humidité relative et la température, peuvent générer des changements des propriétés physico-chimiques du principe actif.
Divers protocoles de génération ont été reportés dans la littérature pour les trois formes polymorphes, l’hémihydrate et l’amorphe. Dans ce travail nous nous foca- liserons sur les formes anhydres du D-mannitol, comme nous le verrons pour la suite. La forme β est la plus stable à température ambiante, elle est la plus utilisée dans les produits commerciaux. Elle peut être obtenue par cristallisation dans de l’eau par refroidissement et dans un mélange eau/éthanol par effet antisolvant et refroidissement. La forme α peut être générée en dissolvant par chauffage 100 g de produit dans 900 g d’éthanol à 70 %. Ensuite, la solution est refroidie lentement jusqu’à la température ambiante puis refroidie à 4 °C pendant 12 heures. Finalement, les cristaux précipités doivent être filtrés et séchés à 40 °C (D. Braun et al.,2010; Burger et al., 2000).
La cristallisation de la forme δ est réalisée en refroidissant rapidement, à 0 °C dans un bain de glace, une solution aqueuse chaude saturée. Dès que des cristaux appa- raissent, la solution doit être filtrée rapidement, puis les cristaux sont lavés avec de l’acétone afin d’éliminer l’eau et enfin séchés à basse pression (∼ 10 mbar) (Caron, 2006). En suivant les mêmes étapes de filtration et de séchage que précédemment, une deuxième méthode est la recristallisation d’une solution aqueuse diluée avec de l’acétone (Cornel et al., 2010). Une troisième méthode est la lyophilisation : 500 ml, 10 % m/v sont immergés dans de l’azote liquide, afin d’assurer l’état solide congelé du mannitol, et la sublimation de la glace est réalisée à une pression de 0,02 mbar. Finalement, le solide est chauffé à 105 °C pendant 2 heures pour éliminer l’humidité résiduelle (Burger et al., 2000; Nunes et al.,2004).
Différents auteurs ont détecté l’apparition de la forme hydrate du mannitol pendant le procédé de lyophilisation. En général, les différentes conditions expérimentales utilisées dans la littérature favorisent la formation de l’hydrate lors d’une vitesse de refroidissement lente et des températures relativement basses pendant le séchage (Fronczek et al., 2003; Nunes et al., 2004; Yu et al., 1999). Des expériences de synthèse ont été effectuées par Cao et al. dans le but de déterminer les différentes conditions opératoires qui favorisent la production de la forme hydrate du mannitol. Ces résultats suggèrent qu’à faible concentration, l’hydrate cristallise lors de l’étape de congélation et qu’un procédé de refroidissement lent et de séchage à basse température favorisent également la formation de l’hydrate (Cao et al., 2002).
On peut noter que les protocoles énoncés pour la cristallisation des trois polymorphes sont incomplets en terme de conditions opératoires. Ils sont donc difficilement répé- tables.
Le mannitol n’est pas un très bon candidat pour l’obtention d’amorphe, en effet, il cristallise très facilement par refroidissement. Cependant, il est possible de perturber
la génération de phases cristallines avec l’addition d’impuretés ou co-solutés. Divers facteurs dont la structure, l’état d’ionisation, les concentrations de co-solutés et la température modifient le mécanisme de génération du mannitol dans les solutions conduisant ainsi à l’amorphe. De nombreuses études à ce sujet sont disponibles dans la littérature. En résumé, l’addition de tréhalose, de lactose (K. Izutsu et al., 2007; Kim et al.,1998), de peptides, de protéines (Yu,2001) ou de quelques sels comme le chlorure de sodium, des phosphates de sodium et des citrates peuvent générer l’amorphisation du mannitol (K.-I. Izutsu et al.,2004; Yoshinari,2003). Cependant le solide amorphe final comporte des traces de ces additifs. Ces impuretés complexifient les phénomènes de surface et donc l’analyse des propriétés de surface, notamment par CGI.