Méthodes innovantes de caractérisation des films d’enrobage

A ce jour, les mécanismes impliqués dans la formation du film ne sont pas encore

complètement élucidés (47)(53). En parallèle, il existe encore de nombreuses techniques

de caractérisation pas encore complètement exploitées dans le domaine des enrobages

par film, parmi lesquelles nous décrirons surtout ici la microscopie à force atomique

(MFA ou AFM) et la microspectroscopie Raman.

I.3.6.1. Microscopie à force atomique (AFM)

La microscopie à force atomique (MFA ou AFM) est une technique dérivée du

microscope à effet tunnel (ou STM), de haute résolution (résolution latérale de 30 Å et

résolution verticale inférieure à 1 Å) donnant des images tridimensionnelles sans mode

de préparation particulière de l’échantillon analysé (83)(84). Cette dernière particularité

est un avantage majeur par rapport aux techniques traditionnelles de microscopie telle

que la microscopie électronique.

Les applications de l’AFM n’ont cessé de croître ces dernières années dans le

domaine des biomatériaux (topographie de surface, propriétés structurales et

dynamiques), et la possibilité d’étude de surface a conduit à l’émergence d’une

profusion de techniques dérivées utilisant des sondes à interaction locale (microscopie

de résonance magnétique, microscopie de module d’élasticité, etc.…). La technique est

adaptée pour être utilisée dans différents environnements physiques tels que le vide et

les fluides par exemple.

Le microscope est constitué d’une pointe miniature (extrémité de la pointe de

quelques nanomètres) fixée à l’extrémité d’un stylet. La pointe est proche de la surface

de l’échantillon placé sur une platine de déplacement (balayage XYZ). Par ailleurs, une

cale piézo-électrique permet d’ajuster finement la distance pointe-échantillon et est

utilisée pour asservir l’amplitude de vibration du stylet (fréquence de résonance

recherchée de l’ordre de quelques dizaines de kilohertz). Une pointe AFM fonctionne en

3 principaux modes : mode statique (ou continu) ou mode dynamique (ou oscillant) ou

mode thermique (pointe utilisée comme détecteur de température en champ proche).

Diverses propriétés (par exemple, étude de micro ou nanostructure, de propriétés

mécaniques) de la surface sont mesurables grâce à la pointe AFM modifiable

chimiquement et pouvant faire varier ainsi les interactions entre la pointe et la surface

analysée (85).

Parmi les différents modes d’utilisation cités, l’intérêt est surtout porté sur le mode

dynamique. Dans le mode statique (mode contact), la pointe est en contact physique

permanent avec l’échantillon (pointe pressée contre le matériau par l’élasticité du

stylet). Dans le cas d’une surface souple, il y a risque d’endommager la surface de

l’échantillon (force de frottement sur l’échantillon), et dans ce cadre, le mode

dynamique est plus adapté (oscillation du stylet dans la direction Z). Il existe plusieurs

modes dynamiques dont les principaux sont le mode à contact intermittent et dans ce

mode, les images de hauteur sont intéressantes pour connaître la topographie de surface

et les images de phase peuvent être intéressantes pour révéler des hétérogénéités de

surfaces correspondant à des propriétés viscoélastiques ou de mouillage différentes.

Le mode intermittent (ou tapping)est particulièrement intéressant pour notre étude.

Les images générées par le mode tapping sont de 2 types : image en hauteur et image en

amplitude. L’image en hauteur montre la topographie de surface et elle est générée par

ajustement de la cale piezo-électrique qui conserve une déflection constante du stylet.

L’image en amplitude décrit les changements d’amplitude du stylet, et elle est sensible

aux changements de relief de la surface. La technique permet d’observer la

microstructure lors de la phase de déformation des particules de polymère et la

topographie de surface lors du curing (cf. I.1.2.3., Figure 7). C’est un outil d’analyse

quantitative (degré de coalescence des particules de polymère) (51)(54)(56). Dans l’étude

de Lin et Meier (51), la cinétique de formation de film de latex de

Poly-isobutylmethacrylate (PiBMA) est suivie par AFM (mode contact, suivi des

changements de caractéristiques de surface, i.e. les pics et vallées entre deux particules

adjacentes). Les auteurs montrent que la formation de film est fonction des propriétés

rhéologiques du film et que la cinétique de formation est dix fois supérieure dans les

conditions humides (vs. condition sec, des mesures en DSC ayant été réalisées au

préalable, montrant que l’eau n’avait pas de propriété plastifiante pour ce polymère

hydrophobe). La pression capillaire est une force motrice principale à la formation du

film.

Dans l’étude de Ringqvist et al. (86), les auteurs montrent qu’il est possible de

plastifié avec 10 % (m/m) de TEC en solution organique. L’AFM est une technique

puissante pour suivre la topographie de surface de grains secs et hydratés à différents

temps de dissolution en air ambiant et de grains en milieu aqueux en cours de

dissolution. Cela permet de mieux comprendre les mécanismes de libération du

chlorhydrate monohydraté de remoxipride (PA soluble). Ces auteurs ont montré que la

surface des microgranules enrobés n’était pas lisse et que des cristaux étaient visibles

(avec une quantité plus importante au plus faible taux d’enrobage) (cf. Figure 17). Ces

cristaux qui disparaissent après 10 min de dissolution sont identifés par

microscpectrocopie Raman (cf. paragraphe suivant I.3.6.2). La surface n’évolue plus

entre 30 min et 24 h de dissolution.

Figure 17 : Images en hauteur à gauche et en déflection à droite issues du mode contact en AFM (mesure

effectuée en air ambiant) sur des granules enrobés à (i) 4 % (image de 40 x 40 µm²) et (ii) 7 % (image de

50 x 50 µm²) d’éthylcellulose plastifié au TEC (avec z pour les images en hauteur de 1,6 µm) (86).

I.3.6.2. Microspectroscopie Raman

De manière générale, une installation de spectrométrie Raman comprend : une

source laser dont le faisceau est focalisé sur l’échantillon à analyser par une optique

appropriée ; une platine porte-échantillon ; un spectromètre comprenant une optique de

collection de la lumière diffusée et de couplage avec le dispositif d’analyse spectrale, et

un système d’analyse spectrale (analyse dispersive ou techniques interférométriques à

transformée de Fourier) ; un détecteur de rayonnement très sensible (monocanaux ou

multicanaux photoélectriques) ; une électronique d’acquisition et de traitement des

données spectrales (87).

La spectroscopie Raman est principalement est utilisée pour identifier des

molécules organiques, des polymères ou des composés inorganiques sur une profondeur

pouvant atteindre 2 µm (d’où le terme de « microspectroscopie » Raman). L’application

des principes de la microscopie confocale a contribué à l’amélioration de la résolution

spatiale, particulièrement axiale, de cette méthode. Elle fait appel aux vibrations

moléculaires, de façon comparable à la spectroscopie infra-rouge à transformée de

Fourier. Un faisceau laser incident sur la surface de l’échantillon interagit avec les

photons du système, provoquant ainsi une émission à une autre longueur d’onde par

dispersion ou diffusion Raman. La faible puissance du signal produit constitue l’un des

défis de la conception d’un bon spectromètre Raman. L’utilisation d’un tel équipement

est variée : identification de composition moléculaire en surface et en profondeur,

analyse de contamination, analyse de film / couche minces et revêtements, analyses

qualitatives et semi-quantitatives (87). C’est une technique adaptée pour l’investigation

de micro-échantillons. Les caractéristiques avantageuses de la technique sont les

suivantes : technique non destructive, applicable à des régions microscopiques situées à

l’intérieur d’un matériau transparent, pas de traitement particulier de l’échantillon

analysé, et possibilité de mener l’analyse à l’air libre ou sous atmosphère contrôlée

(conditions de température et de pression modifiables à volonté). Par ailleurs, les

installations actuelles de spectrométrie Raman permettent d’établir des cartes en deux

ou trois dimensions (imagerie spectrale par l’imagerie directe ou par les techniques de

reconstruction d’image dont l’imagerie spectrale confocale à balayage), caractéristiques

des espèces chimiques présentes dans l’échantillon avec un pouvoir séparateur de

l’ordre du µm.

Dans l’étude de Ringqvist et al. (86), précédemment nous avons montré l’intérêt de

l’AFM pour suivre la topographie de surface de microgranules enrobés. Les auteurs ont

utilisé en parallèle la microspectrocopie Raman confocale pour confirmer la présence

des cristaux de chlorhydrate monohydraté de remoxipride vus sur les images AFM et

pour une identification chimique des constituants présents en surface des microgranules

Figure 18 : Image Raman montrant la distribution des constituants présents en surface des granules

enrobés à 4 % d’éthylcellulose plastifié au TEC : les parties blanches correspondent principalement au

chlorhydrate monohydraté de remoxipride et les parties noires, principalement à l’éthylcellulose (86).

Ces deux techniques - AFM et Microspectroscopie Raman - sont complémentaires

et seront envisagées dans ce travail pour suivre la surface de films d’enrobage à base de

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