Identification des contaminants présents à la surface de lactose à usage pharmaceutique et analyse de l’impact de leur présence sur les interactions avec différents principes actifs

HAL Id: tel-01828185

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01828185

Submitted on 3 Jul 2018

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Identification des contaminants présents à la surface de lactose à usage pharmaceutique et analyse de l’impact

de leur présence sur les interactions avec différents principes actifs

Cedric Thomas

To cite this version:

Cedric Thomas. Identification des contaminants présents à la surface de lactose à usage pharma- ceutique et analyse de l’impact de leur présence sur les interactions avec différents principes actifs.

Physique Médicale [physics.med-ph]. Université Bourgogne Franche-Comté, 2018. Français. �NNT :

2018UBFCK012�. �tel-01828185�

J’exprime tout d’abord mes remerciements à Éric LESNIEWSKA et Cyrille ANDRES pour m’avoir donné la chance de réaliser cette thèse au sein de l’Institut Carnot de Bourgogne, UMR 6303. Sans oublier Éric BOURILLOT mais aussi Alain DEREUX, directeur de l’ICB.

D’ailleurs Cyrille, je n’oublie pas le saut en parachute que tu m’as promis !

Cette thèse n’aurait pas eu lieu sans la société Armor Pharma. Je tiens donc à remercier Liliane KERRIOU et Valérie GAMERRE, directrices R&D, mais aussi Nadège PRIOUL, Marie CHARBAUT, Carole CHODKIEWICZ, Christophe LAROCHE et Audrey KERVINIO.

Je suis très honoré que le Dr. Pierre-Emmanuel MILHIET et le Pr. Pierre TCHORELOFF aient accepté le rôle de rapporteurs et je les en remercie profondément. Je remercie aussi particulièrement le Pr. Yves ARTUR d’avoir accepté d’examiner mon travail et de présider le jury.

Je ne peux pas oublier tout le rez-de-chaussée du département de physique : Kamal, Alex, Gérard, Jean-Claude, Aymeric, Thierry. Nos débats tous les midis furent parfois déconcertants, détonants, hilarants mais toujours stimulants. D’ailleurs Alex, je sais que tu ne l’avouera jamais mais au fond tu m’aimes bien…

Je ne peux pas oublier Nicolas POCHOLLE. Ce partage de bureau restera mémorable. Des fous rires mais une fusion intellectuelle qui nous a permis de créer de belles expériences. Je n’oublie pas non plus Jeremy, Ece et Pauline.

Il y a eu tellement de collaborateurs durant ces 3 années que j’espère n’oublier personne. Je vais commencer par Olivier HEINZ, Lucien SAVIOT et Frédéric HERBST que j’ai harcelé de questions pendant 3 ans. Je tiens aussi à remercier Maxime GUERINEAU, Laurent BUISSON, Nicolas GEOFFROY, Jean-Marc DACHICOURT et Marie-Laure LEONARD.

Je ne peux oublier Elly, qui par son professionnalisme sans faille, nous as sorti du pétrin plus d’une fois. Tu es une deuxième maman au sein du laboratoire.

Pour finir ces remerciements, je pense bien sûr à ma mère et mes amis pour leur soutien.

Particulièrement Alan, Boris, Stéphanie et surtout Tamara. Vous avez toujours cru en moi

et été là dans les coups durs.

Liste des abr[Pleaseinsertintopreamble]viations xxvii

Introduction 1

1 Etat de l’art ´ 5

1.1 Administration d’un principe actif . . . . 5

1.2 Syst` eme respiratoire . . . . 6

1.3 Influence de la taille des particules . . . . 7

1.4 Physique des poudres . . . . 9

1.4.1 Forces de Van der Walls . . . . 11

1.4.2 Forces de capillarit´ e . . . . 13

1.4.3 Forces ´ electrostatiques . . . . 14

1.5 Dispositifs d’inhalation . . . . 15

1.5.1 Des origines ` a l’inhalation moderne . . . . 15

1.5.2 A´ erosols ` a poudre s` eche . . . . 19

1.5.2.1 Inhalateurs passifs . . . . 20

1.5.2.1.1 Inhalateur ` a dose unitaire . . . . 21

1.5.2.1.2 Inhalateur ` a multiples doses unitaires . . . . 21

1.5.2.1.3 Inhalateur ` a r´ eservoir . . . . 22

1.5.2.1.4 Conclusion . . . . 22

1.5.2.2 Inhalateurs actifs . . . . 22

1.5.2.2.1 Nektar Pulmonary Inhaler . . . . 22

1.5.2.2.2 A´ erosol Microdose . . . . 23

1.6 Excipients . . . . 24

1.7 Lactose . . . . 25

1.7.1 Introduction . . . . 25

1.7.2 Int´ erˆ et du lactose dans l’industrie alimentaire . . . . 28

1.7.3 Usage du lactose dans le milieu pharmaceutique . . . . 29

1.8 M´ elange principe actif - lactose . . . . 32

1.9 Conditionnement dans les dispositifs d’inhalation . . . . 33

1.10 Impuret´ es . . . . 35

1.10.1 Lactulose . . . . 35

1.10.2 Glucose et galactose . . . . 36

1.10.3 Riboflavine . . . . 37

1.11 Conclusion . . . . 38

2 M´ ethodes classiques de caract´ erisation 43 2.1 Introduction . . . . 43

2.2 Analyse morphologique par microscopie ´ electronique SEM . . . . 45

2.2.1 Introduction . . . . 45

2.2.2 M´ ethodologie . . . . 45

2.2.3 R´ esultats . . . . 46

2.2.4 Conclusion des analyses SEM . . . . 53

2.3 Analyse granulom´ etrique par diffraction laser . . . . 54

2.3.1 Introduction . . . . 54

2.3.2 M´ ethodologie . . . . 54

2.3.3 R´ esultats . . . . 54

2.3.4 Conclusion . . . . 54

2.4 Analyse de formes par microscopie optique . . . . 55

2.4.1 Introduction . . . . 55

2.4.2 M´ ethodologie . . . . 55

2.4.3 R´ esultats . . . . 55

2.4.4 Conclusion . . . . 56

2.5 Analyse de la surface sp´ ecifique par m´ ethode BET . . . . 57

2.5.1 Introduction . . . . 57

2.5.2 M´ ethodologie . . . . 57

2.5.3 R´ esultats . . . . 58

2.5.4 Conclusion . . . . 58

2.6 Analyse structurale par diffraction des rayons X . . . . 59

2.6.1 Introduction . . . . 59

2.6.2 M´ ethodologie . . . . 59

2.6.3 R´ esultats . . . . 59

2.6.4 Conclusion . . . . 62

2.7.2 M´ ethodologie . . . . 63

2.7.3 R´ esultats . . . . 63

2.7.3.1 Analyses ´ el´ ementaires . . . . 63

2.7.3.2 Analyses des spectres atomiques . . . . 66

2.7.3.3 Nettoyage de la surface . . . . 69

2.7.4 Conclusion . . . . 70

2.8 Spectroscopie Raman . . . . 71

2.8.1 Introduction . . . . 71

2.8.2 M´ ethodologie . . . . 71

2.8.3 R´ esultats . . . . 73

2.8.3.1 Lactose pur . . . . 73

2.8.3.2 Analyses des diff´ erents compos´ es . . . . 74

2.8.3.3 Analyse des donn´ ees . . . . 76

2.8.3.3.1 M´ ethode des moindres carr´ es . . . . 76

2.8.3.3.2 M´ ethode PCA : Principle Component Analysis . . . . 78

2.8.4 Conclusion . . . . 79

2.9 Analyse par spectroscopie UV . . . . 80

2.9.1 Introduction . . . . 80

2.9.2 M´ ethodologie . . . . 80

2.9.3 R´ esultats . . . . 80

2.9.3.1 Mesures . . . . 81

2.9.3.2 M´ ethode MCA : Multiple Component Analysis . . . . 83

2.9.4 M´ ethode CLS : Classic Least Square . . . . 85

2.9.5 Conclusion . . . . 86

2.10 Spectrom´ etrie de fluorescence XRF . . . . 88

2.10.1 Introduction . . . . 88

2.10.2 M´ ethodologie . . . . 88

2.10.3 R´ esultats . . . . 88

2.10.4 Comparaison avec les monographies pharmacop´ ees . . . . 90

2.10.5 Conclusion . . . . 91

2.11 Analyses thermogravim´ etriques . . . . 92

2.11.1 Introduction . . . . 92

2.11.2 M´ ethodologie . . . . 92

2.11.3 R´ esultats . . . . 92

2.11.4 Conclusion . . . . 96

2.12 Conclusion g´ en´ erale . . . . 96

3 Apport des microscopes de champs proche 97

3.1 Introduction . . . . 97

3.2 Analyse acoustique de densit´ e par UA-AFM . . . . 98

3.2.1 Principe . . . . 98

3.2.2 M´ ethodologie . . . 101

3.2.3 Optimisation du syst` eme acoustique UA-AFM . . . 104

3.2.3.1 Interaction avec la pointe . . . 104

3.2.3.2 Influence de la gamme de fr´ equence . . . 106

3.2.3.3 Interaction entre l’onde de battement et la pointe . . . 108

3.2.3.4 Influence du substrat . . . 109

3.2.3.5 Conclusion . . . 111

3.2.4 R´ esultats de l’analyse topographique AFM . . . 111

3.2.5 R´ esultats de l’analyse acoustique UA-AFM . . . 113

3.2.5.1 Lactose Food . . . 114

3.2.5.2 Lactose Refined . . . 115

3.2.5.3 Lactoses de grade pharmaceutique . . . 116

3.2.6 Conclusion de l’´ etude UA-AFM . . . 123

3.3 Etudes des interactions principes actifs - lactoses par Force Spectroscopy . . . . 124 ´

3.3.1 Principe . . . 124

3.3.2 M´ ethodologie . . . 124

3.3.2.1 Courbes de force . . . 125

3.3.2.2 Calibration . . . 126

3.3.2.2.1 Sensibilit´ e . . . 126

3.3.2.2.2 Constante de raideur . . . 126

3.3.2.3 Principes actifs utilis´ es . . . 128

3.3.2.3.1 Propionate de fluticasone . . . 128

3.3.2.3.2 Sulfate de salbutamol . . . 129

3.3.2.3.3 Xinafoate de salm´ et´ erol . . . 129

3.3.3 R´ esultats . . . 130

3.3.3.1 Effet du broyage . . . 135

3.3.4 Conclusion . . . 137

3.4 Conclusion g´ en´ erale . . . 138

4 Discussions 139 4.1 Discussion sur les techniques classiques . . . 139

4.2 Discussion sur les techniques avanc´ ees . . . 145

4.3 Tests in vitro . . . 149

4.4 Discussion g´ en´ erale . . . 150

5.2 Le futur des inhalateurs ` a poudre s` eche ? . . . 163

1.1 Mod` ele de l’arbre respiratoire selon Weibel . . . . 7

1.2 Principaux m´ ecanismes de d´ epˆ ot des particules dans les poumons en fonction de leurs tailles [1] . . . . 8

1.3 Zones de d´ epˆ ot moyen dans les poumons avec l’aimable autorisation de John Wiley & Sons [2] . . . . 9

1.4 Interactions associ´ ees ` a la g´ eom´ etrie et l’´ etat de surface . . . . 10

1.5 M´ enisque form´ e par la condensation de l’eau entre deux particules sph´ eriques de rayon d ₁ et d ₂ . . . . 13

1.6 Cigarettes pour le traitement de l’asthme utilis´ es au 19 <sup>eme `</sup> si` ecle [3] . . . . 16

1.7 Illustration du brevet de Newton de son inhalateur de poudre s` eche [3] . . . . . 16

1.8 Aerohalor d´ evelopp´ e par Krasno et Rhoads [4] . . . . 17

1.9 Photo du n´ ebuliseur de Wright [4] . . . . 18

1.10 R´ epartition du march´ e mondial de l’inhalation en 2016 . . . . 18

1.11 Sch´ ema d’un inhalateur ` a dose unitaire type Aerolyzer ^r . . . . 21

1.12 Sch´ ema d’un inhalateur ` a multiples doses unitaires type Diskus . . . . 21

1.13 Sch´ ema d’un inhalateur ` a r´ eservoir . . . . 22

1.14 Sch´ ema de l’inhalateur Nektar . . . . 23

1.15 Sch´ ema de l’inhalateur Microdose [5] . . . . 23

1.16 Principe de fonctionnement d’un excipient transporteur d’un principe actif . . . 24

1.17 Structure du lactose . . . . 25

1.18 Sch´ ema des proc´ ed´ es de fabrication des formes de lactose . . . . 27

1.19 Images d’aiguilles de lactose obtenu par microscopie ´ electronique ` a balayage [6] . 28 1.20 Th´ eorie de Morton sur les sites actifs du lactose . . . . 31

1.21 Interaction particulaire en fonction de la rugosit´ e de la surface [7] . . . . 31

TABLE DES FIGURES

1.22 Exemple d’´ equipements permettant le dosage des poudres . . . . 34

1.23 Formule chimique du lactulose . . . . 36

1.24 Formule chimique du glucose et du galactose . . . . 37

1.25 Formule chimique de la riboflavine . . . . 37

1.26 Structure du lactose [8] . . . . 41

1.27 Image SEM de particules de lactose commercial . . . . 41

2.1 Image SEM du lactose Food. La zone A illustre la forte rugosit´ e. La zone B illustre l’effet d’ombrage de la m´ etallisation au chrome. . . . 46

2.2 Image SEM du lactose Refined. Les zones A et B pr´ esentent des agglom´ erats. La zone C pr´ esente des r´ esidus de broyage et la zone D, une surface de rugosit´ e proche de celle du lactose pur. . . . 47

2.3 Image SEM du lactose P1 . . . . 48

2.4 Image SEM du lactose P2. La zone A pr´ esente la sph´ erisation des particules par le broyage. . . . 49

2.5 Image SEM du lactose P3 . . . . 50

2.6 Image SEM du lactose P4. La zone A pr´ esente une particule non tamis´ ee, la zone B des particules tamis´ ees et la zone C, un agglom´ erat de d´ ebris de tamisage. . . 51

2.7 Image SEM du lactose P5 . . . . 52

2.8 Diff´ erents param` etres de forme ´ etudi´ es . . . . 55

2.9 Superposition des spectres DRX des diff´ erents lots de lactose analys´ es . . . . 59

2.10 Spectres DRX des diff´ erents lots de lactose analys´ es avec l’emplacement des pics de r´ ef´ erence de la base de donn´ ees ICDD . . . . 60

2.11 Superposition des spectres DRX des diff´ erents lots de lactose analys´ es 5 ^◦ -18 ^◦ . . 61

2.12 Superposition des spectres DRX des diff´ erents lots de lactose analys´ es 20 ^◦ -60 ^◦ . 61 2.13 Spectre XPS du lactose Food entre 0 et 900eV . . . . 64

2.14 Comparaison entre le ratio O/C mesur´ e par XPS et celui stœchiom´ etrique pro- venant de la formule du lactose. La ligne pointill´ ee repr´ esente la relation 1 :1. . . . . 65

2.15 Spectres C1s ` a gauche et O1s ` a droite des diff´ erents lots de lactose . . . . 66

2.16 Exemple de traitement par d´ econvolution gaussienne du spectre C1s du lactose P4 66 2.17 Impact du param` etre FWHM sur la d´ econvolution du spectre O1s du lactose P4 68 2.18 Graphique de correlation repr´ esentant le pourcentage de liaisons C-O en fonction du ratio atomique O/C . . . . 69

2.19 Pic C1s apr` es nettoyage de la surface . . . . 69

2.20 Protocole de traitement des spectres Raman . . . . 72

2.21 Zone de lactose pur analys´ ee en spectroscopie Raman . . . . 73

2.22 Spectre Raman du lactose pur selon diff´ erentes polarisations du faisceau laser (` a

532nm) . . . . 73

2.23 Spectre Raman ` a 785nm du lactose pur selon diff´ erentes polarisations . . . . 74 2.24 Spectres Raman des diff´ erents compos´ es pr´ esents ` a la surface des particules de

lactose commerciaux ` a 532nm (polarisation normale) . . . . 75 2.25 Spectres Raman des diff´ erents compos´ es pr´ esents ` a la surface des particules de

lactose commerciaux ` a 785nm (polarisation normale) . . . . 75 2.26 Composition de la surface du lactose P1 ` a 785nm analys´ e par la m´ ethode PCA . 79 2.27 Spectres d’absordance des diff´ erents composants des particules de lactose . . . . 81 2.28 Graphique de calibration de l’absorbance du lactose . . . . 81 2.29 Graphique de calibration de l’absorbance du riboflavine . . . . 82 2.30 Graphique de calibration de l’absorbance du lactulose . . . . 82 2.31 Graphique de calibration de l’absorbance du galactose . . . . 83 2.32 Graphique de calibration de l’absorbance du glucose . . . . 83 2.33 Analyse du spectre du lactose P5 . . . . 87 2.34 Spectre XRF du lactose Food . . . . 89 2.35 R´ esultats des analyses par fluorescence X . . . . 90 2.36 Norme ICH-Q3D concernant les m´ etaux lourds pr´ esents dans le lactose . . . . . 90 2.37 Composition en nickel et cuivre des diff´ erents lots de lactose . . . . 91 2.38 Comparaison entre la m´ ethode d’analyse des cendres sulfuriques et la fluorescence X 91 2.39 Spectres ATG des impuret´ es de r´ ef´ erence et du lactose . . . . 93 2.40 Spectres ATG des diff´ erents lots de lactose . . . . 94 2.41 R´ esultats des analyses de la d´ eriv´ ee des spectres ATG . . . . 95 2.42 R´ esultats des analyses de la d´ eriv´ ee des spectres ATG . . . . 96 3.1 Sch´ ema du microscope UA-AFM . . . . 99 3.2 Reconstitution 3D d’une bact´ erie . . . 101 3.3 Zone d’investigation de l’analyse acoustique . . . 101 3.4 Micromanipulateur d´ evelopp´ e au seins du laboratoire ICB . . . 102 3.5 D´ epˆ ot de particules sous la forme ICB pour aider la localisation . . . 102 3.6 Inversion de contraste entre l’image de phase (` a gauche) et d’amplitude (` a droite) 103 3.7 Densit´ e des diff´ erents constituants de nos particules . . . 103 3.8 Protocole d’´ etude de l’interaction entre la pointe et l’onde acoustique de fr´ equence

∆f . . . 105 3.9 R´ esultats des ´ etudes d’interaction entre l’onde acoustique et les pointes SNL . . 105 3.10 R´ esultats des ´ etudes d’interaction entre l’onde acoustique et les pointes FESP . 106 3.11 Plage d’utilisation de diff´ erents leviers AFM en mode acoustique . . . 106 3.12 protocole d’´ etude de l’influence de la gamme de fr´ equence . . . 107 3.13 Mesures de l’interaction entre les ondes acoustiques sur la gamme de fr´ equence

2-10MHz . . . 107

3.14 Protocole d’´ etude de l’influence de la gamme de fr´ equence . . . 108

TABLE DES FIGURES

3.15 Mesures de l’interaction entre l’onde de battement et le levier 0.35N/m . . . 109 3.16 Protocole d’´ etude de l’influence du substrat . . . 109 3.17 Influence d’une lame de verre de 180µm d’´ epaisseur sur l’amplitude de l’onde de

battement d´ etect´ ee . . . 110 3.18 Influence d’une pastille m´ etallique de 1.10mm d’´ epaisseur sur l’amplitude de

l’onde de battement d´ etect´ ee . . . 110 3.19 Lactose Refined observ´ e par AFM acoustique. Topographie ` a gauche, image

acoustique ` a droite (240 kHz) . . . 111 3.20 Illustration des param` etres de rugosit´ e arithm´ etique et quadratique . . . 112 3.21 Comparaison de la rugosit´ e entre les diff´ erents lots . . . 113 3.22 Interaction entre l’onde acoustique et les plans cristallins . . . 114 3.23 Images acoustiques du lactose Food . . . 114 3.24 Image acoustique lactose Refined . . . 115 3.25 Image acoustique lactose P1 . . . 116 3.26 Image acoustique lactose P2 . . . 117 3.27 Image acoustique lactose P3 . . . 118 3.28 Image acoustique lactose P4 . . . 119 3.29 Image acoustique lactose P5 . . . 120 3.30 Pourcentage de la surface recouverte par la riboflavine en fonction de la surface

accessible . . . 122 3.31 Pourcentage de la surface recouverte par le lactulose, le glucose et le galactose en

fonction de la surface accessible . . . 122 3.32 Sch´ ema d’une image Force Volume . . . 124 3.33 Description d’une courbe de force . . . 125 3.34 Impact de la rugosit´ e sur les courbes de force. . . 126 3.35 Formule du propionate de fluticasone . . . 128 3.36 Image SEM d’une pointe fonctionnalis´ ee de propionate de fluticasone . . . 128 3.37 Formule du sulfate de salbutamol . . . 129 3.38 Image SEM d’une pointe fonctionnalis´ ee avec du Sulfate de salbutamol . . . 129 3.39 Formule du xinafoate de salm´ et´ erol . . . 130 3.40 Image SEM d’une pointe fonctionnalis´ ee avec du xinafoate de salm´ et´ erol . . . . 130 3.41 Interaction entre le propionate de fluticasone et les diff´ erentes impuret´ es . . . 131 3.42 Interaction entre le propionate de fluticasone et le lactose pur . . . 131 3.43 Interaction entre le sulfate de salbutamol et les diff´ erentes impuret´ es . . . 132 3.44 Interaction entre le sulfate de salbutamol sulfate et le lactose pur . . . 132 3.45 Interaction entre le salm´ et´ erol et les diff´ erentes impuret´ es . . . 133 3.46 Interaction entre le salm´ et´ erol et le lactose pur . . . 133 3.47 Histogramme des interactions entre les diff´ erents principes actifs, le lactose et les

impuret´ es . . . 134

3.48 Image au microscope optique de la particule de lactose partiellement broy´ e et location des 4 zones analys´ ees (figures 3.49 ` a 3.52) . . . 135 3.49 Mapping des interactions entre le propionate de fluticasone et le lactose pur -

Zone 1 . . . 136 3.50 Mapping des interactions entre le propionate de fluticasone et le lactose pur -

Zone 2 . . . 136 3.51 Mapping des interactions entre la fluticasone propionate et le lactose pur - Zone 3137 3.52 Mapping des interactions entre la fluticasone propionate et le lactose pur - Zone 4137 4.1 Images du lactose P1 obtenue par microscopie micro-onde . . . 147 4.2 Spectres infra-rouge du glucose, galactose et riboflavine compar´ es au lactose pur 148 4.3 Graphique pr´ esentant la corr´ elation entre les r´ esultats d’un NGI et les r´ esultats

in vivo [9] . . . 150 4.4 Particules de lactose en microscopie ´ electronique ` a balayage . . . 152 4.5 Particules de lactose en microscopie ´ electronique ` a balayage . . . 153 4.6 Particules de lactose en microscopie ´ electronique ` a balayage . . . 153 4.7 Comparaison entre une image SEM, une image topographique AFM et image

acoustique UA-AFM . . . 154 4.8 Corr´ elation entre surface accessible et surface sp´ ecifique . . . 154 4.9 Sch´ ema d’une pointe collo¨ıde et interaction avec une surface . . . 157 4.10 Corr´ elation entre la rugosit´ e et la pr´ esence d’impuret´ es en surface . . . 158 4.11 Analyse d’une plaque de chromatographie obtenu ` a l’aide d’un protocole de

s´ eparation des sucres . . . 159

4.12 Photographie d’une plaque chromatographique lue ` a 366nm . . . 159

4.13 Photo d’une plaque chromatographique lue ` a la lumi` ere blanche . . . 160

TABLE DES FIGURES

1.1 Composition du lait de vache (source Food and Agriculture Organization) . . . . 26 2.1 R´ esultats pr´ eliminaires r´ ealis´ es par la soci´ et´ e Armor Pharma selon les normes

Pharmacop´ ees Europ´ eenne et Am´ ericaine . . . . 44 2.2 R´ esultats des mesures granulom´ etriques . . . . 54 2.3 R´ esultats des analyses de forme par microscopie optique . . . . 56 2.4 R´ esultats de mesures de surfaces sp´ ecifiques . . . . 58 2.5 Composition ´ el´ ementaire des diff´ erents lots de lactose . . . . 65 2.6 Liaisons chimiques des diff´ erents lots de lactose apr` es d´ econvolution des pics C1s 67 2.7 Ratios atomiques et chimiques des diff´ erents lots de lactose . . . . 68 2.8 Param` etres utilis´ es pour les acquisitions Raman . . . . 71 2.9 Composition de la surface du lactose P1 ` a 785nm analys´ e par la m´ ethode des

moindres carr´ es . . . . 77 2.10 Composition de la surface du lactose P1 ` a 785nm analys´ e par la m´ ethode DLSC 78 2.11 Coefficient d’extinction molaire des diff´ erents constituants des particules de lactose 83 2.12 R´ esultats de l’analyse du spectre du lactose P1 par la m´ ethode MCA . . . . 85 2.13 R´ esultats de l’analyse des diff´ erents lots ´ etudi´ es par la m´ ethode MCA . . . . 85 2.14 R´ esultats de l’analyse du spectre du lactose P1 par la m´ ethode CLS . . . . 86 3.1 Caract´ eristiques des diff´ erentes pointes test´ ees (cr´ edits images Bruker) . . . 104 3.2 Valeurs de rugosit´ e mesur´ ees sur les diff´ erents lots . . . 112 3.3 Caract´ erisation de la surface accessible par AFM acoustique . . . 121 3.4 Surface accessible aux principes actifs . . . 121 3.5 Interaction entre les diff´ erents compos´ es pr´ esents ` a la surface des particules et les

principes actifs . . . 134

LISTE DES TABLEAUX

4.1 Bilan de l’´ etude par microscopie ´ electronique ` a balayage . . . 139 4.2 Bilan de l’´ etude par granulom´ etrie par diffraction laser . . . 140 4.3 Bilan de l’´ etude par microscopie optique . . . 140 4.4 Bilan de l’´ etude par diffraction des rayons X . . . 141 4.5 Bilan de l’´ etude par spectroscopie XPS . . . 141 4.6 Bilan de l’´ etude par spectroscopie Raman . . . 142 4.7 Bilan de l’´ etude par spectroscopie UV . . . 142 4.8 Bilan de l’´ etude par fluorescence X . . . 143 4.9 Bilan de l’´ etude par analyse thermogravim´ etrique . . . 143 4.10 Tableau r´ ecapitulatif de l’ensemble des techniques classiques utilis´ ees sur lots de

lactose . . . 144 4.11 Tableau r´ ecapitulatif de l’ensemble des donn´ ees acquises sur les diff´ erents lots de

lactose permettant d’´ etablir leur carte d’identit´ e . . . 151

AFM Atomic Force Microscopy

AMM Autorisation de Mise sur le March´ e

ANSM Agence Nationale de S´ ecurit´ e du M´ edicament et des produits de sant´ e BPCO BronchoPneumopathie Chronique Obstructive

CFD Computational Fluid Dynamics EDX Energy-Dispersive X-ray spectroscopy EMeA European Medicines Agency

ELF European Lung Foundation ERS European Respiratory Society FAD Flavine Ad´ enine Dinucl´ eotide FMN Flavine MonoNucl´ eotidique FPD Fine Particle Dose

FPF Fine Particle Fraction GBF G´ en´ erateur Basse Fr´ equence

GUM Guide to the expression of Uncertainly in Measurement) HPLC High Performance Liquid Chromatography

HPTLC High Performance Thin textbfLayer Chromatography ICDD International Centre for Diffraction Data

IGC Inverse Gas Chromatography

IRCP International Commission on Radiological Protection OMS Organisation Mondiale de la Sant´ e

PADE Powder Aerosol Deaggregation Equation SEM Scanning Electron Microscopy

SMM Scanning Micro-wave Microscopy TGA ThermoGravimetric Analysis

UA-AFM Ultra Sound Atomic Force Microscopy UPLC Ultra Performance Liquid Chromatography XPS X-Ray Photoelectron Spectrometry

XRD X-Ray Diffraction

XRF X-Ray Fluorescence

Liste des abr´ evations

La science et la connaissance progressent par l’exp´ erimentation, le d´ eveloppement de nouveaux concepts ou de nouvelles th´ eories. Des optimisations et des corrections apparaissent d´ evoilant les erreurs ou les impr´ ecisions du pass´ e. La recherche scientifique oblige ` a s’interroger sur le rapport entre les travaux actuels et la masse de connaissances pr´ ec´ edentes. Le partage de ces connaissances constitue un atout majeur pour guider les acteurs de la recherche et du d´ eveloppement.

L’interaction entre la recherche universitaire et le monde industriel est devenue essentielle et c’est dans ce cadre que cette th` ese s’est d´ eroul´ ee.

Les recherches pr´ esent´ ees ont ´ et´ e financ´ ees par la division excipient Armor PHARMA de la soci´ et´ e ARMOR, filiale du groupe SAVENCIA Fromage and Dairy. SAVENCIA est le 2 ^{` eme</sup> groupe fromager fran¸cais et 4 <sup>eme `} groupe mondial. Cette th` ese s’inscrit dans l’optique d’une am´ elioration constante de la qualit´ e de leur lactose ainsi que la compr´ ehension du rˆ ole des impuret´ es ` a la surface des particules de lactose. Les industriels fabriquant du lactose ` a usage pharmaceutique sont confront´ es ` a ce probl` eme. Il existe plusieurs impuret´ es identifi´ ees et localis´ ees en surface des particules : le glucose, le galactose, le lactulose et la riboflavine. Leur impact sur l’interaction avec un principe actif est inconnu et absent de la litt´ erature.

Dans ce manuscrit, nous allons pr´ esenter une approche innovante dans la caract´ erisation des surfaces : la technique UA-AFM acronyme de Ultrasound Acoustic - Atomic Force Microscopy.

Cette nouvelle g´ en´ eration de microscope ` a force atomique, d´ evelopp´ e au sein de l’ICB a d´ ej` a

montr´ e son potentiel dans l’´ etude d’´ edifice biologique. Le d´ efi a ´ et´ e d’adapter la technique

ultrasonore et les protocoles afin d’´ etudier des particules de lactoses pharmaceutiques et d’acqu´ erir

des donn´ ees encore inexistantes dans la litt´ erature. En effet, l’objectif a ´ et´ e de caract´ eriser, pour

la premi` ere fois, la surface de particules de lactose destin´ ees ` a des dispositifs d’inhalation. Le

but ´ etant de comprendre l’influence de la pr´ esence de ces impuret´ es en surface des particules sur

les interactions avec diff´ erents principes actifs.

Le lactose, principal excipient des inhalateurs ` a poudre s` eche, est ´ etudi´ e depuis des dizaines d’ann´ ees, en premier lieu pour les applications agro-alimentaires, puis en second lieu, pour un usage pharmaceutique. Il existe une multitude de donn´ ees et d’informations sur celui-ci mais il reste encore des lacunes dans la litt´ erature. La technologie des poudres se trouve ` a l’interface de diff´ erents domaines scientifiques comme la pharmacie gal´ enique, la physique ou la chimie.

Elle vise un meilleur ciblage des alv´ eoles pulmonaires pour la d´ elivrance du principe actif. De plus, l’actualit´ e sur le Levothyrox montre qu’il est important d’am´ eliorer la compr´ ehension des interactions entre les excipients et les principes actifs. La science des mat´ eriaux permet de r´ esoudre certains points comme la caract´ erisation des diff´ erentes particules constituants le m´ elange inhal´ e. L’´ etude des poudres pharmaceutiques est un sujet en pleine expansion, entrainant une forte interaction entre la recherche universitaire, les laboratoires pharmaceutiques et les fabricants d’excipients.

Le travail pr´ esent´ e a pour but d’am´ eliorer la compr´ ehension de l’impact des impuret´ es sur les interactions avec diff´ erents principes actifs dans le cadre de formulations pharmaceutiques.

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de l’optimisation des syst` emes d’inhalation qui est au cœur de l’actualit´ e. En effet, le nombre de maladies respiratoires chroniques est en pleine explosion et l’optimisation des dispositifs d’inhalation est donc primordial. Ces optimisations passent par une meilleure compr´ ehension des interactions entre les excipients et les principes actifs. L’excipient majoritaire dans ces dispositifs est le lactose.

D’apr` es l’Organisation Mondiale de la Sant´ e (OMS), 235 millions de personnes ` a travers le monde souffraient d’asthme en 2013. Cette maladie, dont il n’existe pas de traitement curatif, est un des centres d’int´ erˆ et de l’OMS. Leurs objectifs concernant l’asthme sont de d´ eterminer des interventions efficaces et peu coˆ uteuses mais aussi d’actualiser les normes de soins et les rendre plus accessibles aux diff´ erents niveaux du syst` eme de sant´ e. L’asthme commence g´ en´ eralement beaucoup plus tˆ ot dans la vie que d’autres maladies chroniques. Cela impose une charge ` a vie aux individus qui en souffrent, impactant leur entourage soignant et la communaut´ e. Dans un futur proche, environ un tiers de la population d´ eveloppera un asthme entre 5 et 80 ans et la plupart avant l’ˆ age de 20 ans. Plus g´ en´ eralement, un d´ ec` es sur huit est dˆ u ` a une maladie respiratoire ce qui repr´ esente 600000 personnes en 2011. Mais l’asthme n’est malheureusement pas l’unique maladie respiratoire. Les affections pulmonaires sont responsables d’au moins 6 millions d’hospitalisations [10–12]. Environ 200 millions de personnes souffrent de maladies pulmonaires obstructives chroniques, 400 millions de rhinite et plus de 100 millions d’apn´ ee du sommeil.

Il est donc primordial de d´ evelopper de nouveaux traitements et d’optimiser ceux existant. La

d´ elivrance de m´ edicaments au niveau des bronches est une voie tr` es efficace pour le traitement des

maladies pulmonaires chroniques car plus directe comparativement ` a une d´ elivrance syst´ emique

par g´ elules ou comprim´ es. Cette voie pulmonaire gagne aussi beaucoup d’int´ erˆ et dans la d´ elivrance

de principes actifs syst´ emiques. L’absorption est bien plus importante que celle du tractus gastro-

intestinal. En effet, les bronchioles pr´ esentent une grande surface d’absorption permettant l’usage de doses th´ erapeutiques plus faibles et donc d’´ eviter des r´ eactions ind´ esirables provoqu´ ees par un surdosage. Par ailleurs, du fait d’une d´ elivrance plus efficace et n´ ecessitant moins d’excipient et de principes actifs, la d´ elivrance pulmonaire suscite un grand int´ erˆ et ´ economique. L’optimisation des m´ edicaments pour les maladies pulmonaires est un enjeu primordial. Cependant, les tests in vitro r´ ealis´ es ` a l’aide de cascade impacteur montre en g´ en´ eral une fraction de principes actifs atteignant les alv´ eoles pulmonaires inf´ erieure ` a 30%. Seulement, l’explication de ce ph´ enom` ene n’est pas encore disponible dans la litt´ erature. Beaucoup d’´ etudes ont port´ e sur l’impact de la rugosit´ e, sur la d´ etermination des ´ energies de surface ... mais sans apporter une r´ eponse satisfaisante.

La collaboration entre le laboratoire ICB (UMR CNRS 6303) et la soci´ et´ e Armor Pharma ont permis l’´ elaboration de ce m´ emoire comportant plusieurs chapitres.

Dans un premier chapitre, une ´ etude bibliographique pr´ esentant l’´ etat de l’art sur le lactose et les diff´ erents dispositifs d’inhalation. Il existe une connaissance importante sur le lactose avec plusieurs milliers d’articles publi´ es depuis les ann´ ees 90. Le traitement symptomatique par inhalation quant ` a lui est apparu il y a plusieurs milliers d’ann´ ees et bien qu’il soit efficace, il souffre encore de limites. Un second chapitre pr´ esentent les r´ esultats obtenus ` a l’aide de techniques de caract´ erisation classiques dans l’´ etude des poudres et des surfaces. Dans un troisi` eme chapitre, nous verrons l’apport de la microscopie en champs proche dans la compr´ ehension des impuret´ es

`

a la surface des particules et leur impact sur les interactions avec des principes actifs. Un

quatri` eme chapitre pr´ esente une discussion des diff´ erents r´ esultats obtenus. Enfin le dernier

chapitre pr´ esentera les conclusions de cette ´ etude ainsi que les perspectives envisag´ ees.

1

ETAT DE L’ART ´

1.1 Administration d’un principe actif

La connaissance des propri´ et´ es th´ erapeutiques et pharmacologiques d’un principe actif n’est pas suffisante pour la production d’un m´ edicament. Il existe diff´ erents modes d’administration et d’absorption d’un principe actif. Il est important de choisir les meilleurs modes pour avoir une efficacit´ e optimale du m´ edicament.

Les modes d’absorption correspondent ` a la forme gal´ enique : sirops, g´ elules gastro-resistantes, suppositoires, comprim´ es, poudres inhalables... Les formes gal´ eniques sont class´ ees selon trois cat´ egories : les formes solides (poudres, g´ elules, capsules et comprim´ es), les formes liquides (sirops, gouttes, suspensions...), les formes semi-solides (cr` emes, gels, cataplasmes...).

Les modes d’administration quant ` a eux se classent en deux grandes familles :

- ceux qui ne n´ ecessitent pas le passage d’une barri` ere physiologique comme l’administration per os, c’est ` a dire par voie orale.

- ceux qui n´ ecessitent de passer une barri` ere physique comme l’administration par voie intravei- neuse.

Chacune de ces nombreuses voies d’administration pr´ esente ses avantages et ses inconv´ enients.

Il est donc important de bien les comprendre afin de les adapter au mieux pour obtenir l’effet th´ erapeutique d´ esir´ e.

La voie orale est la voie d’administration majoritaire en ambulatoire. Le patient est plus

compliant vis ` a vis de ces formes gal´ eniques (g´ elules et comprim´ es). Le m´ edicament peut se

lib´ erer soit dans l’estomac, soit dans l’intestin par l’utilisation de g´ elules gastror´ esistantes. Il

1.2. Syst` eme respiratoire

est possible de multiplier les doses et les principes actifs sous r´ eserve de tol´ erance du patient.

Le principe actif peut-ˆ etre transform´ e ou d´ egrad´ e ` a cause des enzymes digestives. C’est en particulier le cas des substances prot´ eiques qui sont hydrolys´ ees par les peptidases intestinales.

Il existe des limites ` a la voie orale. Tout d’abord, le patient doit ˆ etre conscient et en possession de ses moyens. Ce mode d’administration n’est donc pas compatible avec les situations d’urgence.

La r´ esorption du m´ edicament peut ˆ etre influenc´ ee par la symptomatologie du patient. En cas de vomissement ou de diarrh´ ee, le m´ edicament peut ˆ etre ´ elimin´ e avant que le principe actif puisse ˆ etre absorb´ e. Si le principe actif est correctement absorb´ e, il peut aussi ˆ etre rendu inactif en

´ etant transform´ e au niveau du foie et des reins. De plus, certains aliments peuvent aussi limiter l’absorption de certains principes actifs. Le d´ elai d’action du princeps qui est un param` etre important est donc fortement tributaire de la digestion. Pour contourner ces inconv´ enients, les scientifiques cherchent ` a utiliser de nouvelles voies d’administration. Dans ce cadre, il est envisag´ e des administrations cutan´ ees, par voie oculaire mais celle qui concentre les attentions depuis plusieurs dizaines d’ann´ ees est la voie pulmonaire.

1.2 Syst` eme respiratoire

L’appareil respiratoire est un organe permettant la communication directe entre le milieu ext´ erieur, le gaz inspir´ e, le milieu int´ erieur du corps et les vaisseaux sanguins ` a travers la barri` ere alv´ eolo-capillaire. A l’arriv´ ee dans les alv´ eoles, le gaz inspir´ e atteint une temp´ erature de 37 ^◦ C et une humidit´ e relative de 100%.

L’appareil respiratoire humain comprend trois parties (figure 1.1) :

- les voies a´ eriennes sup´ erieures compos´ ees du nez, de la bouche, du pharynx et du larynx repr´ esentant la r´ egion extra-thoracique ;

- la trach´ ee compos´ ee d’anneaux cartilagineux, les bronches, les bronches lobaires puis segmen- taires repr´ esentent la r´ egion trach´ eobronchique ;

- les bronchioles et les alv´ eoles pulmonaires repr´ esentant la r´ egion pulmonaire avec une surface de 100m ² .

Le plus grand int´ erˆ et de l’utilisation de la voie pulmonaire est qu’elle est une voie d’absorption rapide et totale car il n’y aura pas de perte via le syst` eme digestif [4]. Les ´ echanges s’effectuent uniquement dans la zone alv´ eolo-capillaire. Les doses de principes actifs ` a utiliser sont plus faibles, permettant d’´ eviter le surdosage que la voie orale peut provoquer.

Si le principe actif absorb´ e par les poumons a un effet syst´ emique, il est directement transmis

dans l’oreillette gauche, puis le ventricule gauche pour enfin se retrouver dans la circulation

g´ en´ erale. Cela permet d’avoir un effet en cinq minutes contre une moyenne de 30 ` a 60 minutes

par voie orale. Enfin, tout comme la voie orale, la voie respiratoire est indolore et n’entraine pas

de risques d’infection.

FIGURE 1.1 : Mod` ele de l’arbre respiratoire selon Weibel

1.3 Influence de la taille des particules

Plusieurs facteurs sont ` a prendre en compte lors de l’inhalation de particules. Leurs tailles a´ erodynamiques d´ ependent de diff´ erents param` etres comme la taille, la forme et la densit´ e [13,14].

La taille a´ erodynamique est d´ efinie selon l’´ equation 1.1 o` u ρ d´ esigne la densit´ e de la particule, ρ ₀ l’unit´ e et χ le facteur de forme.

d aerodynamique = d geometrique . r ρ

χ.ρ ₀ ^(1.1)

La charge des particules est aussi un param` etre important. Les particules de taille inf´ erieure

`

a 0.1µm sont plus faiblement charg´ ees que les particules de taille sup´ erieure au microm` etre pour un mˆ eme compos´ e. Les particules charg´ ees se d´ eposeront principalement au niveau du nez.

Par ailleurs, la taille des particules hygroscopiques augmente lors de l’inhalation modifiant par cons´ equent la zone de d´ eposition [15].

L’anatomie du tractus respiratoire a quant ` a lui aussi son importance avec la diminution progressive du diam` etre des voies a´ eriennes.

Enfin, la dynamique des particules est d´ ependante du r´ egime du flux d’air d´ efinie ` a la fois par l’anatomie respiratoire ainsi que par le r´ egime de l’inhalation (vitesse et volume d’inspiration).

La v´ elocit´ e d’air et le nombre de Reynold (R _e ) sont d´ ependants des d´ ebits d’air r´ ealis´ es par le

sujet [16].

1.3. Influence de la taille des particules

FIGURE 1.2 : Principaux m´ ecanismes de d´ epˆ ot des particules dans les poumons en fonction de leurs tailles [1]

Nous allons d´ ecrire les m´ ecanismes de d´ epˆ ot des particules afin de comprendre les exp´ eriences de cascade impacteur. Il existe trois m´ ecanismes principaux de d´ epˆ ot des particules admis dans la litt´ erature [17] et pr´ esent´ es sur la figure 1.2.

Le premier m´ ecanisme, l’impaction, est dˆ u ` a l’inertie des grosses particules (> 7 µm) dans les bifurcation des voies respiratoires dans le r´ egime fluide. L’impaction est tr` es variable d’un sujet ` a l’autre du fait des variations anatomiques [15].

Le second m´ ecanisme est li´ e ` a la s´ edimentation par gravit´ e. Ce processus s’effectue essentiel- lement dans les derni` eres divisions bronchiques du fait de la densit´ e et de la taille des particules (1 ` a 5 µm).

Le dernier m´ ecanisme est la diffusion par mouvement brownien dans les bronchioles terminales et dans les alv´ eoles. Seules les particules dont la taille est inf´ erieure au microm` etre subissent les ph´ enom` enes de diffusion. Contrairement aux m´ ecanismes de l’impaction et de la s´ edimentation, la d´ eposition par diffusion est inversement proportionnelle ` a la taille des particules. Les zones anatomiques de d´ epˆ ot selon les diff´ erents m´ ecanismes sont r´ esum´ ees dans la figure 1.3.

Le diam` etre de l’arbre respiratoire diminue au fur et ` a mesure pour finir par une taille

d’alv´ eole pulmonaire de 200µm. D’apr` es une ´ etude de Kobrich et al, le diam` etre des particules a

une importance majeure pour la d´ elivrance pulmonaire [18, 19]. La taille id´ eale du principe actif

doit ˆ etre inf´ erieure ` a 2.5µm. Les particules de taille sup´ erieure ` a 5µm seront drain´ ees vers le

carrefour a´ ero-digestif puis d´ egluties.

FIGURE 1.3 : Zones de d´ epˆ ot moyen dans les poumons avec l’aimable autorisation de John Wiley

& Sons [2]

La taille des particules est donc un facteur important. Elle d´ etermine le lieu de d´ epˆ ot dans l’arbre respiratoire et donc l’effet th´ erapeutique qui en d´ ecoule. Des ´ etudes ont ´ et´ e r´ ealis´ ees sur la taille des principes actifs micronis´ ees allant de 1µm ` a 15µm [20–22]. Elles ont montr´ e que l’effet th´ erapeutique est optimal pour les particules ayant une taille inf´ erieure ` a 5µm du fait de performances a´ erodynamiques meilleures. Elles permettent donc d’atteindre les alv´ eoles pulmonaires. Un faible changement en taille a des effets majeurs sur la dispersion des particules.

1.4 Physique des poudres

Au repos, une aggr´ egation complexe se forme de part l’existence de forces d’interactions particulaires, surtout dans le cas des m´ elanges binaires g´ en´ eralement utilis´ es en inhalation. Les forces d’interaction en pr´ esence sont les forces de Van der Walls, les forces ´ electrostatiques, les forces de capillarit´ e ou les forces de friction [23].

Les interactions entre les particules de diff´ erente nature chimique jouent un rˆ ole critique dans la performance a´ erodynamique du produit. Les particules micronis´ ees de principe actif pr´ esentent une trop grande coh´ esivit´ e d’o` u l’importance du transporteur. Son rˆ ole est de faciliter l’´ ecoulement de la poudre dans l’arbre respiratoire.

La figure 1.4 pr´ esente les diff´ erents types d’interaction possible dans le cas de particules

r´ eelles. Ces interactions peuvent ˆ etre dues ` a la friction entre les particules, ` a un emboitement

m´ ecanique ou ` a un emprisonnement dans une cavit´ e [23–25]. Bien que la surface couverte par

1.4. Physique des poudres

la zone d’interaction soit importante, la surface r´ eelle en contact est beaucoup plus petite voire ponctuelle. L’influence de la taille des pores de surface devient pr´ edominante sur la force d’interaction de type Van der Waals lorsque leur taille d´ epasse 20nm [26].

FIGURE 1.4 : Interactions associ´ ees ` a la g´ eom´ etrie et l’´ etat de surface

Par ailleurs, en fonction de l’historique de stockage de la poudre, la formation de ponts solides due ` a des ph´ enom` enes de dissolution–recristallisation est ´ egalement observ´ ee, sp´ ecialement dans le cas des particules hygroscopiques. En cons´ equence, la s´ eparation des particules devient plus difficile [27].

Kendall et al. [28, 29] ont d´ evelopp´ e un mod` ele expliquant que l’augmentation de l’adh´ erence peut entrainer une formation d’agglom´ erats ayant une porosit´ e importante. Ces agglom´ erats pr´ esentent une coh´ esion totale faible avec des forces d’interactions importantes aux diff´ erents points de contact. Le r´ esultat est l’obtention d’agglom´ erats plus fragiles.

La dissociation des entit´ es au sein de ces agglom´ erats est au cœur des recherches depuis que des probl` emes de fluidit´ e des poudres pharmaceutiques ont ´ et´ e mis en ´ evidence. De nombreuses

´ etudes ont ´ et´ e men´ ees pour comprendre et optimiser ce ph´ enom` ene [30–33]. Un nouveau mod` ele d´ evelopp´ e par Weiller et al. [34] montre que la force n´ ecessaire pour obtenir une dispersion totale (σ _disp ) d’un agglom´ erat sph´ erique de diam` etre d <sub>agg</sub> est fonction de la force de coh´ esion interparticulaire. Elle est calcul´ ee par l’´ equation 1.2 o` u ε d´ esigne la porosit´ e, d _p le diam` etre de particule primaire, k le nombre de coordination (nombre de points de contact d’une particule avec les particules aux alentours).

σ _disp = F ad (1 − ε)k

2.π.d ² _agg . d ³ _agg

d ³ _p − 4f b ²

!

(1.2)

La variable f correspond au ratio de surface non-contact/surface en contact. Elle est obtenue

par l’´ equation 1.3.

f = 1 − arcos(b)

180 ^◦ avec b = d _p

d _agg − d _p ^(1.3)

L’´ equation 1.2 peut ˆ etre r´ eduite en l’´ equation 1.4 dans le cas o` u la taille des agglom´ erats est beaucoup plus grande que celle de particule primaire (d _agg d _p ).

σ _disp = F _ad (1 − ε)k 2.π . d _agg

d ³ _p ^(1.4)

D’apr` es l’´ equation 1.4, la dispersion totale d´ epend majoritairement de la taille des particules primaires. La dissociation des agglom´ erats apparait ˆ etre un ph´ enom` ene complexe surtout dans le cas de m´ elanges r´ eels.

La taille des particules est un facteur essentiel. La plupart des propri´ et´ es comme les forces d’interaction d´ ependent de la taille des particules. En effet, quand la taille des particules diminue, les forces d’interaction inter-particulaires augmentent et d´ epassent les forces de gravit´ e [29].

A l’´ echelle microscopique, la d´ esaggr´ egation des particules est gouvern´ ee par les forces coh´ esives, c’est-` a-dire les forces d’interaction principe actif - principe actif et les forces adh´ esives (principe actif - excipient) [35]. Des forces adh´ esives excessives entrainent la non lib´ eration du principe actif tandis que des forces coh´ esives trop importantes entrainent la s´ egr´ egation et la formation d’agglom´ erat. Ce ph´ enom` ene va directement affecter les caract´ eristiques de dispersion et de fluidisation de la formulation [36, 37].

1.4.1 Forces de Van der Walls

Les forces de Van der Waals sont des interactions de faible intensit´ e entre atomes ou mol´ ecules.

Elles sont compos´ ees de trois types de forces :

- Premi` erement, les forces de Keesom ´ equivalent ` a une interaction entre un dipˆ ole permanent et un dipˆ ole permanent. Elles sont g´ en´ eralement li´ ees ` a l’´ electron´ egativit´ e des mol´ ecules polaires.

Elles ont principalement un rˆ ole dans l’agencement des mol´ ecules les unes par rapport aux autres.

- Deuxi` emement, les forces de Debye ´ equivalent ` a une interaction entre un dipˆ ole permanent et un dipˆ ole induit. L’ordre de grandeur des forces de Debye est dix fois inf´ erieure aux forces de Keesom.

- Troisi` emement, les forces de London ´ equivalent ` a une interaction entre un dipˆ ole induit et un

dipˆ ole induit. Ces forces existent ` a cause du mouvement al´ eatoire des ´ electrons qui engendre

un l´ eger moment dipolaire temporaire. Ce moment dipolaire induit peut alors interagir avec

un autre moment dipolaire induit de la mˆ eme fa¸ con. L’´ energie potentielle d’interaction entre

deux mol´ ecules s’´ ecrit selon l’´ equation de London 1.5, avec d la distance moyenne entre les deux

mol´ ecules, h la constante de Planck, ν la fr´ equence ´ electronique d’absorption, α la polarisabilit´ e

1.4. Physique des poudres

´ electrique et ₀ la permittivit´ e di´ electrique du vide.

E = − 1 d ⁶

3

4 × h.ν.α ₁ .α ₂ 4.π. ² ₀

(1.5) A partir de cette ´ energie d’interaction, Derjaguin a ´ etabli une approximation de la force d’interaction entre deux sph` eres qui peut s’exprimer selon l’´ equation 1.6 en fonction des rayons R <sub>1</sub> et R <sub>2</sub> des deux sph` eres et W _p le potentiel d’interaction entre les deux particules.

F interaction = R ₁ .R ₂

R ₁ + R ₂ .2π.W p .d (1.6) Dans le cas de deux sph` eres en contact, nous pouvons assimiler le potentiel d’interaction ` a deux fois l’´ energie de surface des sph` eres γ soit l’´ equation 1.7.

W _p .d = 2.γ (1.7)

Enfin, en combinant les ´ equations 1.6 et 1.7, nous obtenons l’´ equation 1.8.

F interaction = R ₁ .R ₂ R 1 + R 2

.4π.γ (1.8)

Les forces de Van Der Waals sont donc tr` es intimement li´ ees ` a la distance entre les particules, leurs tailles et leurs ´ energies de surface. Comme dans un m´ elange pharmaceutique la distance entre les particules est tr` es faible, ces forces de Van der Waals prennent toute leur importance.

En effet, si une poudre est coh´ esive, les interactions entre les particules sont principalement gouvern´ ees par les forces de Van der Waals dont la valeur est inf´ erieure aux forces de liaison chimique [26, 38]. Cette force d´ ecroˆıt avec la distance selon une loi de puissance. La force augmente avec l’augmentation de la taille des particules. Elles d´ ependent de la distance r entre 2 particules, souvent inf´ erieure ` a 10 <sup>−3</sup> µm. Elle peut ˆ etre calcul´ ee ` a partir de l’´ equation 1.9 (mod` ele de Hamaker) o` u A H est la constante de Hamaker, d 1 et d 2 les rayons des particules sph´ eriques.

F V dW = A _H

12r ² . d ₁ .d ₂

d ₁ + d ₂ ^(1.9)

Il est possible de modifier cette ´ equation pour l’adapter au cas r´ eel, c’est ` a dire pour des

particules non sph´ eriques et poss´ edant une rugosit´ e de surface. Pour cela, il est n´ ecessaire

d’utiliser le diam` etre effectif des asp´ erit´ es au niveau du point de contact car elles entrainent

une diminution des forces de Van der Walls. Si le diam` etre effectif est sup´ erieur ` a 20nm, elles

sont r´ eduites de mani` ere significative selon les nouveaux mod` eles de simulation et les mesures

exp´ erimentales [26].

1.4.2 Forces de capillarit´ e

Lorsque l’humidit´ e relative est faible (HR < 30%), les forces ´ electrostatiques sont majoritaires dans le cas des poudres micronis´ ees. Lors d’un m´ elange, les particules ont une forte mobilit´ e.

Cela induit d’importantes forces de friction qui peuvent ´ ecranter les forces ´ electrostatiques.

FIGURE 1.5 : M´ enisque form´ e par la condensation de l’eau entre deux particules sph´ eriques de rayon d 1 et d 2

Lorsque l’humidit´ e est plus importante (HR>30%), une couche d’eau importante se d´ eveloppe en surface des particules [39–41]. Cette couche d’eau va provoquer des m´ enisques entre les particules, entrainant l’apparition de force de capillarit´ e importante (figure 1.5). Ce ph´ enom` ene d´ epend de la chimie des surfaces (hydrophile, hydrophobe, hygroscopique), de l’angle de contact entre diff´ erentes interfaces, de la distance entre les particules, de la rugosit´ e. Le contact entre le liquide et la particule va d´ ependre notamment de la tension interfaciale entre l’eau et la surface consid´ er´ ee. Or cette tension interfaciale d´ epend elle-mˆ eme des ´ energies libres de surface des entit´ es en jeu et du travail d’adh´ esion entre elles. La tension interfaciale est exprim´ ee par l’´ equation de Young-Dupr´ e (´ equation 1.10) avec γ _SL la tension interfaciale solide-liquide, γ _L l’´ energie libre de surface du liquide, γ _S l’´ energie libre de surface du solide et W _SL le travail d’adh´ erence solide-liquide.

γ _SL = γ _L + γ _S − W _SL (1.10)

Les forces de capillarit´ e entre deux particules sph´ eriques de rayon d ₁ et d ₂ espac´ ees par

une distance r est exprim´ ee selon l’´ equation 1.11 o` u σ et β sont respectivement les angles de

1.4. Physique des poudres

contact entre le liquide avec la surface des deux particules de mati` ere diff´ erente, γ _L est la tension interfaciale liquide–air et V est le volume de liquide condens´ e [42, 43].

F _c = 2π.γ _L .R ^∗ .(cosσ + cosβ ).





 1 − r q V

πR ^∗ + r ²





 avec R ^∗ = d 1 .d 2

d ₁ + d ₂ ^(1.11)

Les forces de capillarit´ e peuvent donc s´ erieusement alt´ erer les propri´ et´ es de fluidisation des poudres s` eches. De plus, un environnement ambiant humide diminue la stabilit´ e de la formulation [44]. Les forces capillaires sont importantes dans les conditions normales de pression et temp´ erature. Il est donc n´ ecessaire d’y porter un int´ erˆ et particulier lors de la formulation et production d’un a´ erosol de poudre s` eche. Elles peuvent consid´ erablement modifier les propri´ et´ es et donc les performances des a´ erosols de poudre s` eche.

1.4.3 Forces ´ electrostatiques

La charge ´ electrostatique des poudres pour inhalation se produit g´ en´ eralement par tribo-

´ electrification, quand les collisions entre les particules et le contact avec diff´ erentes surfaces conduisent au transfert d’´ electrons entre elles. Bien que faible, les forces ´ electrostatiques sont un

´ el´ ement ` a prendre en compte dans les proc´ ed´ es pharmaceutiques car la faible conductivit´ e de ces poudres empˆ eche la d´ echarge. Le broyage, le m´ elange intensif, le remplissage ou le transport entraˆınent des frottements et frictions proportionnels ` a l’´ energie mise en jeu ce qui conduit au chargement ´ electrostatique. [45]. L’accumulation de cette charge ´ electrique les rend plus adh´ esives et coh´ esives, ce qui compromet donc leur dispersion. Le ph´ enom` ene ´ electrostatique est in´ evitable, non reproductible et chaotique. Les forces ´ electrostatiques suivent la loi de Coulomb selon l’´ equation 1.12 avec q _i la charge de la particule concid´ er´ ee et d la distance entre les deux particules.

F _e = q 1 .q 2

4π ₀ d ^{2 (1.12)}

Ces forces diminuent quand la distance entre les particules augmente. Elles d´ ependent des charges de chaque particule. Bien que les excipients poss` edent une charge neutre, les forces

´ electrostatiques sont reconnues pour avoir une grande importance lorsque l’on parle de poudres

pharmaceutiques. Elles sont consid´ er´ ees comme significatives pour l’adh´ erence et l’attraction de

particules. Il est mˆ eme parfois consid´ er´ e que les forces ´ electrostatiques peuvent minimiser la

s´ egr´ egation au sein de m´ elange [46]. La nature chimique et cristalline du mat´ eriau d´ etermine la

charge ´ electrostatique et le temps de d´ echarge lors de frottement sur une surface [47, 48]. Les

particules de tailles diff´ erentes se chargent diff´ eremment [49]. La charge du m´ elange de lactose

diminue en fonction de la concentration en fines particules de lactose. Cela montre l’importance

de la distribution granulom´ etrique et le rˆ ole possible des fines particules de lactose dans le m´ elange [50]. Les forces ´ electrostatiques d´ ependent aussi de la construction et le m´ ecanisme de d´ es-agglom´ eration d’inhalateur [48] tout comme les mat´ eriaux de l’inhalateur [47, 51].

1.5 Dispositifs d’inhalation

Depuis l’invention des g´ en´ erateurs d’a´ erosol de taille microm´ etrique dans les ann´ ees 1940, la th´ erapie par inhalation connaˆıt un essor consid´ erable. Les connaissances sur la dynamique des particules dans l’arbre respiratoire ont permis le d´ eveloppement de nouveaux syst` emes th´ erapeutiques plus transportables comme les inhalateurs pressuris´ es et les inhalateurs ` a poudre s` eche. Ces derniers pr´ esentent une meilleure stabilit´ e avec les principes actifs solides ce qui est fondamental pour le d´ eveloppement de nouveaux m´ edicaments [52].

Il a ´ et´ e montr´ e pr´ ec´ edemment l’importance de la taille des principes actifs dans une formula- tion pour inhalation. En effet, la taille a´ erodynamique optimale des particules se situe entre 0,5 et 5 µm afin d’´ eviter un d´ epˆ ot dans les voies a´ eriennes sup´ erieures (nez, bouche, pharynx) et maximiser le d´ epˆ ot dans les voies a´ eriennes profondes (bronchioles et alv´ eoles). Apr` es inspiration par le patient, les particules de principe actif doivent se d´ etacher du transporteur pour p´ en´ etrer et se d´ eposer dans la partie inf´ erieure du tractus respiratoire [53, 54].

1.5.1 Des origines ` a l’inhalation moderne

La voie respiratoire est une des plus anciennes voies d’administration des m´ edicaments. L’utili- sation de l’inhalation ` a vis´ ee th´ erapeutique est pr´ esente dans toutes les m´ edecines traditionnelles

`

a travers le monde.

Une des plus anciennes pharmacop´ ees du monde a ´ et´ e ´ ecrite par l’empereur Hu´ ang D`ı en Chine vers 2600 avant JC. Il conseillait l’utilisation de Ma Huang (Ephedra sinica) pour traiter l’asthme. Plus tard, la th´ erapie par inhalation est apparue dans la m´ edecine ayurv´ edique, m´ edecine traditionnelle indienne, dont les origines datent du 2 <sup>` eme</sup> mill´ enaire avant JC. Elle pr´ econisait les fumigations ` a base de m´ elanges d’herbes (Datura) pour traiter l’asthme et autres probl` emes pulmonaires. Vers 1550 avant JC, le papyrus Ebers, un des plus anciens trait´ es m´ edicaux, r´ edig´ e pendant le r` egne d’Amenhotep I <sup>er</sup> , conseillait une inhalation de vapeurs de jusquiame noire d´ epos´ ee sur une brique chauff´ ee pour le traitement de probl` emes respiratoires.

Plus tard, Pedanius Dioscoride (I ^er si` ecle apr` es JC) consid´ er´ e comme le p` ere de la phar- macie, pr´ econisait des fumigations de souffre pour le traitement des toux asthmatiformes avec expectrorations purulentes. Claude Galien (131-201), le p` ere de la m´ edecine, pr´ econisait ` a ses patients d’aller respirer les vapeurs sulfureuses qui s’´ echappaient des pentes du V´ esuve. A la mˆ eme ´ epoque, les indiens d’Am´ erique d´ ecouvraient l’usage r´ ecr´ eatif et th´ erapeutique du tabac et autres plantes.

Au 17 <sup>` eme</sup> si` ecle, il ´ etait habituel de fumer un anticholinergique extrait du Datura, une plante

1.5. Les dispositifs d’inhalation

de la famille des Solanac´ ees, afin de traiter l’asthme [4, 55]. Ensuite au 19 <sup>eme `</sup> si` ecle, l’association de diverses poudres plac´ ees dans des cigares permettait aussi le traitement de l’asthme (figure 1.6), tout comme l’ajout de m´ edications dans de l’eau bouillante pour pouvoir ˆ etre inhal´ es [56].

FIGURE 1.6 : Cigarettes pour le traitement de l’asthme utilis´ es au 19 <sup>eme `</sup> si` ecle [3]

Le 19 <sup>eme `</sup> si` ecle en Europe marque la r´ evolution industrielle. Newton en 1864, a invent´ e le premier inhalateur ` a poudre s` eche (figure 1.7). La poudre est a´ erosolis´ ee ` a l’aide d’une manivelle pour ˆ etre ensuite inhal´ ee par le patient [3, 57].

FIGURE 1.7 : Illustration du brevet de Newton de son inhalateur de poudre s` eche [3]

En France, les premiers inhalateurs sont apparus dans les ann´ ees 1850. Le professeur Jean Sal` es-Girons inventa un appareil ` a air comprim´ e produisant un fin brouillard. Il s’en est suivi un important d´ eveloppement mais les exp´ erimentations sur l’animal ont montr´ e une absence de principes actifs inhal´ es dans les poumons. A cette ´ epoque, le caract` ere grossier de la pulv´ erisation et de la dimension des gouttelettes ´ etait une limite empˆ echant les principes actifs d’atteindre les alv´ eoles pulmonaires.

Dans les ann´ ees 1940s, Biancani, un sp´ ecialiste de l’inhalation d´ eveloppa un syst` eme d’a´ ero-

solisation permettant d’obtenir des goutellettes de l’ordre de 0.3 µm. Il d´ emontra aussi que le

principe actif atteignait les alv´ eoles pulmonaires et passait dans le sang [58]. L’inhalation connait

alors une expension consid´ erable et devint le traitement principal des affections respiratoires

dans le cas de l’administration d’´ epin´ ephrine pour l’asthme, de p´ enicilline pour le traitement des

infections respiratoires ou le sulfone de promine pour le traitement de la tuberculose pulmonaire.

Les n´ ebuliseurs permettant la g´ en´ eration de particules inf´ erieures ` a 5 µm sont devenus ` a cette

´

epoque indispensable dans le milieu hospitalier malgr´ e leur taille importante.

En 1944, Mutch et al. publiaient des travaux sur l’introduction de p´ enicilline n´ ebulis´ ee pour le traitement des infections respiratoires [59, 60]. Ils pr´ esentaient une brume d’air ou d’oxyg` ene forc´ ee de traverser une solution aqueuse contenant la p´ enicilline. Quelques ann´ ees plus tard, le premier inhalateur ` a poudre s` eche moderne a ´ et´ e d´ evelopp´ e par Krasno et al et commercialis´ e en 1948 par Abbott [61]. Nomm´ e Aerohalor, il permettait l’inhalation de fines particules de p´ enicilline vectoris´ e par du lactose (figure 1.8). Il s’agissait du premier inhalateur ` a poudre s` eche commercial. Il utilisait des cartouches de p´ enicilline en poudre qui s’ins´ erait dans un dispositif d’inhalation en plastique. L’inspiration mettait en mouvement une bille de m´ etal qui cassait la cartouche et lib` ere la poudre dans le flux d’air inhal´ e. Mais le produit a ´ et´ e retir´ e du march´ e apr` es des r´ esultats cliniques m´ ediocres [4, 57].

FIGURE 1.8 : Aerohalor d´ evelopp´ e par Krasno et Rhoads [4]

Le premier pr´ ecurseur des n´ ebuliseurs portatifs ´ etait celui de Wright d´ evelopp´ e dans les

ann´ ees 1950. Il ´ etait fabriqu´ e en Perspex, un plastique r´ esistant aux chocs. Ce dispositif bas´ e sur

l’effet Venturi combinait un flux gazeux et des d´ eflecteurs permettait de produire des gouttelettes

comprises entre 1 et 5µm (figure 1.9).

1.5. Les dispositifs d’inhalation

FIGURE 1.9 : Photo du n´ ebuliseur de Wright [4]

En 2006, environ 5% des revenus de vente de m´ edicaments sont r´ ealis´ es par des m´ edicaments pour la voie pulmonaire (source Datamonitor, Drug Delivery : Global Industry guide). L’essentiel des principes actifs est utilis´ e pour traiter des maladies pulmonaires telles que l’asthme et la broncho-pneumopathie obstructive chronique (BPCO).

La march´ e mondial repr´ esentait 32 milliards de dollars en 2016 contre 25 en 2006 [62]. La r´ epartition est pr´ esent´ ee sur la figure 1.10, selon l’institution Transparency Market Research.

La pr´ evision de croissance pour la p´ eriode 2016-2024 est de 3.3%. Les facteurs de croissance attendus sont :

- l’essor des a´ erosols de poudres s` eches poss´ edant plusieurs principes actifs ;

- la possibilit´ e d’administrer des prot´ eines ou m´ edicaments issus des biotechnologies en ´ evitant le tube digestif.

FIGURE 1.10 : R´ epartition du march´ e mondial de l’inhalation en 2016

Aujourd’hui, en France, l’administration par voie pulmonaire est utilis´ ee pour diff´ erents domaines :

- traitement de l’asthme et BPCO ;

- anesth´ esie et r´ eanimation en milieu hospitalier ;

- traitement des infections ` a Pseudomonas Aeruginosa dans la mucoviscidose ; - traitement de la grippe ;

- traitement de l’hypertension art´ erielle pulmonaire.

Sur le march´ e mondial, l’essentiel des m´ edicaments pour traiter les maladies pulmonaires sont vendus en ambulatoire.

Dans le cadre de cette th` ese, nous nous sommes int´ eress´ es au cas des a´ erosols ` a poudre s` eche.

1.5.2 A´ erosols ` a poudre s` eche

Le premier a´ erosol ` a poudre s` eche est apparu ` a la fin des ann´ ees 60, nomm´ e Spinhaler <sup>r</sup> et commercialis´ e par la soci´ et´ e Aventis. D’apr` es les ´ etudes de Rau et al. [4], pour une personne ayant un d´ ebit normal d’inspiration de 60L.min ⁻¹ , seulement 6% du principe actif atteint les alv´ eoles pulmonaires. Le reste est bloqu´ e au niveau du pharynx puis aval´ e. Des recherches ont suivi afin d’optimiser ces inhalateurs. Plusieurs dispositifs diff´ erents ont ´ et´ e d´ evelopp´ es. Ils pr´ esentent tous un syst` eme de d´ esagr´ egation de la poudre afin de diviser les gros agr´ egats qui pourraient ˆ etre pr´ esents dans la dose. Les diff´ erences entre les nouveaux dispositifs sont les m´ ecanismes de d´ esagr´ egation qui se classent en deux groupes :

- les inhalateurs passifs qui d´ ependent de l’inspiration du patient lors de la prise de la dose ; - les inhalateurs actifs qui poss` edent un syst` eme int´ egr´ e pour favoriser la d´ esagr´ egation comme

un gaz pressuris´ e.

Pour qu’un inhalateur soit efficace, il est important que chaque dose soit homog` ene en principe actif. Il n’est pas envisageable d’avoir d’importantes variations en quantit´ e de principe actif d’une dose ` a une autre. Il faut aussi que le dispositif soit ais´ e d’utilisation pour permettre une totale adh´ esion du patient ` a son traitement. Lors d’un traitement pour une maladie chronique, la compliance th´ erapeutique n´ ecessite un inhalateur confortable et ind´ ependant des capacit´ es respiratoires du patient. Enfin, il faut que la fraction respirable (fraction de particules pouvant atteindre le tractus respiratoire profond) soit importante pour que le m´ elange ait une r´ eelle efficacit´ e th´ erapeutique. La taille de particule primaire est donc un facteur important [63, 64].

Les inhalateurs ` a poudre s` eche sont con¸cus pour que la g´ eom´ etrie de la chambre d’inhalation permette de fournir l’´ energie n´ ecessaire lors de l’inspiration par le patient pour interrompre les interactions entre les particules et permettre au principe actif d’arriver dans la zone th´ erapeutique.

Les particules arrivent sous forme primaire dans les alv´ eoles pulmonaires [65, 66].

Afin de mieux disperser les agr´ egats et agglom´ erats de poudre, diff´ erentes sources d’´ energie

g´ en´ er´ ees par l’interaction entre le fluide, l’inhalateur et les particules sont utilis´ ees comme

la force centrifugeuse g´ en´ er´ ee par la rotation des particules, la force due ` a la turbulence, les