Méthodes de mesure des forces d’adhésion entre particules et des

  (I.5)

Où QAet QB sont les charges totales des deux particules, A et B, séparées par une distance z. 0 etrsont, respectivement, la perméabilité du vide et la perméabilité relative.

Ces interactions peuvent être répulsives (QAet QBde même charges) ou attractives (QAet QB de charges opposées).

 Forces de charge dans l’espace : chaque particule dans un nuage de particules chargées est affectée par ces interactions avec toute autre particule (Seville, 1997).

 Forces par image de charge : lorsqu’une particule chargée approche d’une surface, elle induit une charge d’image sur la surface (Seville, 1997).

La force d’adhésion totale (Fad) est la somme de ces différentes forces d’interactions : Fvdw, Fcapet Fes. es cap vdw ad F F F F    (I.6)

Cependant, en absence d’un champ à haute tension et pour des distances étroites entre deux solides contigus, les forces de Van der Waals sont au moins 10 fois plus grandes que les forces électrostatiques. Ceci reste valide si les forces capillaires sont présentes (Podczeck, 1997).

Dans son ouvrage, Podczeck (1997) développe d’une manière détaillée les facteurs pouvant influencer l’adhésion entre les particules et les surfaces, en particulier, la rugosité, le travail d’adhésion et l’énergie libre de surface, les propriétés des matériaux (dureté, élasticité,..), la taille et la forme des particules.

4.2. Méthodes de mesure des forces d’adhésion entre particules et des surfaces solides

Les forces d’adhésions peuvent être mesurées soit durant l’attraction entre deux surfaces ou pendant le détachement. Les techniques mesurant les forces d’adhésion par détachement de deux surfaces (ex. deux particules) sont les plus anciennes, alors que des méthodes beaucoup plus avancées telles que la microscopie de force sont exigées pour effectuer la mesure pendant l’attraction (F. Podczeck, 1997).

4.2.1. Techniques de mesures par détachement de deux solides Il existe deux façons de favoriser le détachement des particules :

a) par réduction de la force d’adhésion d’une manière contrôlée (Visser, 1995). b) Par application d’une force équivalente à la force d’adhésion (F. Podczeck, 1997).

Il existe plusieurs techniques qui favorisent le détachement des particules d’une surface solide (ex. surface d’une autre particule) par application d’une force mécanique externe. Podczeck (1997), a défini d’une manière détaillée toutes ces techniques que nous allons énumérer ci-dessous.

Technique de centrifugation

Basée sur le principe qu’au-dessus d’une vitesse centrifuge critique, la force résultante de la vitesse angulaire de rotation () d’une particule de masse connue (m) à une distance définie du centre de rotation sera plus grande que la force d’adhésion entre la particule et une surface. La force d’adhésion est :

r mω

F_ad  ² (I.7)

Cette technique est considérée comme la principale méthode pour mesurer la force d’adhésion par détachement. Dans leur étude, Podesck & al (1995, 1997b) ont analysé par la technique de centrifugation, la variation de la force d’adhésion entre un principe actif (salmeterol xinafoate) et des particules hôtes (lactose monohydrate) en fonction de l’humidité relative. Il existe, néanmoins, d’autres techniques dont les descriptions sont détaillées dans l’ouvrage de Podczeck (1997) : technique aérodynamique, technique hydrodynamique, technique de détachement par champ électrique, méthode par impact-séparation, et méthode par vibration ultrasonique.

4.2.2. Techniques de mesure par microscopie de force

Tabor et Winterton (1969) ont développé le premier appareil de force de surface. Ils ont mesuré les forces entre deux feuilles de mica en fonction de la distance de séparation dans l’air et dans le vide. La distance à été mesurée par interférométrie optique, et les forces sont obtenues à partir de la déflection d’un levier à ressort auquel était attachée l’une des surfaces de mica. Quelques années plus tard, des techniques spéciales ont été développées pour réduire la distance de séparation à l’échelle atomique et permettre l’utilisation d’autres matériaux que les surfaces de mica. L’une de ces méthodes à laquelle nous allons particulièrement nous intéresser, est la microscopie à force atomique ; AFM (Binnig et al. 1986). Un microscope à force atomique consiste, comme montré sur la figure (I.5), en une pointe miniature montée au bout d’un levier avec une constante de ressort connue.

Lorsque la pointe approche d’une surface, qui peut être la surface de la particule, la force agissant sur cette dernière est déterminée en mesurant la déflexion du levier (F. Podczeck, 1997). Avec l’approche et le retrait de la pointe, une hysteresis d’adhésion peut être

mesurée et un profil complet de la force d’adhésion en fonction de la distance entre la pointe et la surface est obtenu. Ce mouvement d’approche et de retrait de la pointe sera détaillé dans le chapitre (II).

Des forces d’adhésion peuvent être aussi mesurées entre une particule et une surface (Claesson et al. 1996). Cette technique d’utilisation de l’AFM appelée « technique à sonde colloïdale » permet de déterminer les forces d’interactions entre une particule sphérique collée au levier (ou à la pointe) et une surface plane (Ducker et al. 1991). Cependant, il est important de signaler que la mise en œuvre de cette dernière nécessite beaucoup de précautions (Roberts, 2005).

En plus du potentiel qu’offre cette approche, la possibilité d’utiliser l’AFM dans différents environnements, comme les liquides ou à humidité contrôlée, est d’une grande importance, en particulier, pour des applications pharmaceutiques (Roberts, 2005). Dans le domaine de la formulation pharmaceutique, Sindel et al. (2001) ont utilisé cette technique pour étudier les forces d’interactions entre une particule de lactose collée au levier et un comprimé de lactose. Ils se sont aussi intéressés à l’effet de la topographie de surface (rugosité) sur les forces mesurées. D’autres chercheurs exploitent aujourd’hui la technique AFM dans le domaine des thérapies par inhalation, où la connaissance des interactions entre les principes actifs et les excipients est critique pour la réussite du produit final (Louey et al, 2001 ; Handoko et al, 2007). L’influence de l’humidité et de la rugosité de surface a fait l’objet de plusieurs études

Figure I.5 : Principe de mesure des forces d’adhésion entre pointe-surface avec l’AFM Photodiode

Laser (détermination de la distance)

Levier + pointe

Substrat (ex. particule)

(H. Zhou & al, 2003 ; R. Jones & al, 2003 ; M. Götzinger & al, 2003 ; J.A.S. Cleaver & al, 2004 ; N. Islam & al, 2005 ; J.A.S, Cleaver & al, 2007).

Butt & al. (2005) ont fourni une description complète de la façon d’utiliser l’AFM comme moyen de mesure des forces d’interactions entre des surfaces dans différents milieu liquide, l’air). Ils ont aussi analysé et interprété les courbes de forces résultantes, après avoir décrit avec précision la technique, ses avantages et ses limites.