La température de transition vitreuse, Tg

Pour les systèmes amorphes qui sont les plus nombreux en lyophilisation, la température de transition vitreuse est la température qui détermine la transition entre le domaine de la solution liquide viscoélastique et celui du solide amorphe. Elle varie selon la composition du milieu et cette variation permet de définir les différents états rencontrés lors des étapes de lyophilisation pour une formulation donnée. C’est une donnée indispensable qui va permettre de délimiter les zones de stabilité de la matrice contentant les microorganismes durant la sublimation, la désorption et pendant le stockage du produit.

D’un point de vu cinétique, l’état amorphe est considéré comme stable à l’échelle des temps d’un cycle de lyophilisation, ce qui n’est pas le cas d’un point de vu énergétique, où l’état est considéré comme métastable. La mesure de cette température, notée Tg, à diverse concentrations permet d’établir le diagramme de phase de la formulation. A titre d’exemple, le diagramme de phase du binaire eau-saccharose est représenté figure 20. Lors d’un refroidissement à vitesse lente, la solution aqueuse contenant les excipients et le principe actif, suit le chemin du point D (figure 20). Lorsque la formation des premiers cristaux de glace commence, la solution se cryoconcentre en suivant la courbe du liquidus. La formation de glace continue, jusqu’à être stoppée lorsque la solution cryoconcentrée atteint le point de coordonnées (T’g ; C’g). Ce point caractéristique est déterminé par l’intersection de la courbe du liquidus et la courbe de transition vitreuse. Il correspond à la cryoconcentration maximum de la solution, avant la formation d’un état vitreux ou état amorphe. Cette température, noté T’g, est invariante et caractéristique d’un système eau-solutés donné. Elle est d’une très grande importance

70 pour la conduite et le contrôle des cycles de lyophilisation. Elle permet de définir les limites hautes de températures pendant le procédé de lyophilisation. En effet, si cette température est dépassée, alors la structure amorphe devient viscoélastique et la stabilité est perdue, la température du produit doit donc être maintenue en dessous de cette valeur durant tout le procédé de lyophilisation. Afin de garantir la stabilité de cette phase amorphe il est très courant d’appliquer une marge de sécurité pour la température du produit qui doit être maintenue entre 2 et 5°C en dessous de cette valeur pendant la sublimation. Cette marge peut aussi être appliquée lors de la désorption mais cette fois-ci, en se basant sur la courbe de transition vitreuse de la formulation car la transition vitreuse a lieu à des températures de plus en plus élevées lorsque la teneur en eau diminue.

Figure 110 : Diagramme de phase du binaire eau-saccharose représentant les courbes de liquidus, courbes de solubilité et courbes de transition vitreuse en fonction de la température et de la concentration en saccharose.

Tracé à partir de données expérimentales par Blond et al., 1997

La température de transition vitreuse d’un mélange multi constituants peut être déterminée de

manière expérimentale ou encore calculée à l’aide de corrélations provenant de modèles établis. Expérimentalement, ce passage de l’état liquide à l’état amorphe peut se déterminer expérimentalement par mesure de différentes propriétés de la solution étudiée, telles que : la variation de la viscosité dynamique qui devient très forte à l’approche de la Tg’ ; la variation d’enthalpie ou encore la variation d’impédance.

La détermination la plus courante reste l’analyse de la variation d’enthalpie par Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC). Cette technique repose sur la mesure de la quantité de chaleur libérée ou absorbée par l’échantillon en comparaison à une référence connue qui subit le même traitement thermique. Elle permet d’observer les transitions de phase de premier ordre comme la fusion ou la cristallisation qui se traduisent respectivement par des pics endothermiques ou exothermiques et les transitions de second ordre comme la transition vitreuse. La valeur de la Tg est habituellement

71 obtenue au point d’inflexion du thermogramme lorsqu’une variation est observée dans la linéarité du flux, comme indiqué sur la figure 21. Cette variation étant très faible, il est parfois très difficile de l’observer en DSC classique. Il est alors nécessaire d’avoir recours à la DSC modulée (MDSC) afin de la détecter plus facilement avec précision. La DSC modulée permet de séparer les flux thermiques liés à des phénomènes cinétiques comme la cristallisation ou la relaxation, des phénomènes liés à un changement de capacité calorifique comme la transition vitreuse ou la fusion. En DSC modulée, la vitesse de chauffage moyenne procure la même information qu’en DSC classique en utilisant une vitesse de chauffage modulée (le plus souvent sous forme sinusoïdale). De plus, ces deux méthodes d’analyse thermique par calorimétrie permettent de mesurer la capacité calorifique de l’échantillon en simultané.

Figure 121 : Thermogramme pour la détermination de la température de transition

Il est possible de visualiser des phénomènes de vitrification qui se traduisent par un pic exothermique, similaire à un pic de cristallisation. Ce phénomène se produit généralement lorsque la vitesse de refroidissement est trop élevée et que toute l’eau congelable n’a pas eu le temps de cristalliser et se trouve donc piégée au sein de la phase amorphe. Lorsque la température augmente cette eau est libérée et commence alors à cristalliser. Ce phénomène peut aussi se produire dans le cas d’une solution très visqueuse lorsque les phénomènes de diffusion de l’eau sont fortement ralentis par la viscosité de la solution. Cette recristallisation peut être évitée en introduisant une étape de recuit après la congélation ce qui permet de former des cristaux plus gros et de cryoconcentrer au maximum la solution. Dans le cas de solutions complexes la détermination expérimentale de la Tg peut être difficile en raison de différents phénomènes de cristallisation/fusion qui peuvent apparaitre.

Dans certains cas, il est aussi possible de calculer la courbe de transition vitreuse d’une formulation avec plusieurs composés à l’aide d’équations semi-empiriques comme celle de Gordon-Taylor (Gordon and Taylor, 1952), qui s’applique surtout à des solutions aqueuses de carbohydrates :

(6) ܶ_௚௠±௟

ൌ 

72 Dans laquelle Tg mél représente la température de transition vitreuse du mélange, w1 et w2 les fractions massiques respectives du constituant 1 et 2, et Tg1 et Tg2 respectivement les températures de transitions vitreuses des composés 1 et 2 purs. K est une constante empirique d’ajustement propre au système étudié, qui dépend des coefficients de dilatation thermique et des masses volumiques des constituants de la solution. Ce modèle est assez précis et permet une bonne évaluation de la courbe de transition vitreuse, en fonction des concentrations massiques des constituants Tg = f(wi).

Dans le cas de systèmes à base de polymères, l’équation de Fox (Fox and Flory, 1950) permet de calculer de manière plus simple la courbe de transition vitreuse Tg = f(wi):

(7)

்_೒೘±೗

 ൌ

்_೒భ

൅

்_೒మ



Le tableau 3 ci-dessous fournit les valeurs de la température T’g pour des carbohydrates purs couramment utilisés en lyophilisation avec les formulations pharmaceutiques (Franks et al., 1977) :

Tableau 3 : Valeurs de la T’g pour quelques excipients purs couramment utilisés en industrie pharmaceutique

Constituant Tg' (°C) Glycerol -65,15 Xylitol -46,65 Ribose -47,15 Xylose -48,15 Sorbitol -43,65 Glucose -43,15 Mannose -41,15 Galactose -40,65 Fructose -42,15 Maltose -29,65 Tréhalose -29,65 Sucrose -32,15