Résistance mécanique des comprimés pharmaceutiques : approche

Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux (I2M, CNRS UMR 5295)
Proposition de sujet de thèse :
Résistance mécanique des comprimés pharmaceutiques :
approche expérimentale et numérique par la mécanique de la rupture
Contexte :
Le comprimé est la forme pharmaceutique la plus répandue du fait des nombreux avantages
qu’elle présente tant sur le plan de sa fabrication que sur celui de sa prise par le patient. Il est
réalisé lors d’une opération de compression en matrice de grains de poudre dont la taille est de
l’ordre de 100 µm. En jouant sur les paramètres de ce procédé de fabrication (notamment l'effort
de compression), des niveaux de porosité différents peuvent être obtenus. Les poudres utilisées
peuvent aussi avoir des propriétés physico-chimiques très différentes. Il est donc possible, en
jouant sur les matières premières et sur les conditions de production, d’obtenir une grande variété
de propriétés mécaniques apparentes pour les comprimés. Ces comprimés fabriqués doivent
répondre à un grand nombre de spécifications dont certaines sont en lien avec ses propriétés
mécaniques à rupture. Celle-ci est une propriété fondamentale car c’est elle qui va assurer le
maintien de l’intégrité du comprimé durant toutes les étapes qui suivent la compression, de
l’enrobage au conditionnement puis pendant le transport. De plus, mieux comprendre comment et
pourquoi un comprimé pharmaceutique casse sous une sollicitation donnée pourrait aussi
permettre d’anticiper sur les problèmes de rupture qui ont lieu en production, au moment de la
compression notamment (délaminage, décalottage). En ce qui concerne la rupture du comprimé,
il est avéré pour ces matériaux que le mécanisme de fissuration rapide génère très souvent la
ruine de la structure. L'appréhension de ce mécanisme par les formalismes de la mécanique de la
rupture reste néanmoins peu étudiée.
Dans ce travail, nous nous intéresserons donc à caractériser la rupture du comprimé
pharmaceutique à l’aide des formalismes de la mécanique de la rupture. Pour la partie
expérimentale, les comprimés fabriqués seront soumis à un certain nombre de tests de rupture
qu’il conviendra de définir et de maîtriser avec comme but final la compréhension de la rupture
lors du test de rupture diamétrale qui est le standard utilisé dans l’industrie pharmaceutique. En
parallèle, il s’agira de développer une approche par simulation. L'outil de simulation permet en
effet de modéliser un comportement à différentes échelles pour mieux appréhender certains
mécanismes, et dans le cas présent, les mécanismes de fissuration rapide. Afin de représenter une
propagation dynamique d'une fissure dans un milieu plus ou moins poreux, le choix d'une
méthode numérique adaptée est nécessaire. La Méthode des Éléments Discrets (DEM) a fait
l'objet de développements récents autour de la représentation d'un domaine compact. La capacité
à représenter un comportement mécanique élastique fragile a été démontrée et la gestion
intrinsèque des discontinuités correspond au besoin de la simulation dans cette étude.
Objectifs :
Les objectifs scientifiques dans le cadre des travaux de thèse proposés sont de :
- caractériser le matériau en petite déformation (avant rupture) en fonction des conditions d'essais
(vitesse de sollicitation, température, hygrométrie) et du niveau de porosité ;
- proposer une géométrie d'éprouvette adaptée pour caractériser le mécanisme de fissuration.
Dissocier la réponse du matériau à celle de la structure pour estimer l'énergie de rupture (J/m²)
minimale permettant d'entretenir la propagation de la fissure. Dans le cas d'un régime dynamique
de propagation, les effets inertiels qui dépendent de la vitesse de propagation de la fissure devront
être quantifiés et soustraits de l'énergie de rupture ;
- développer un modèle de comportement en s'appuyant sur les outils numériques de simulation
et notamment en utilisant la méthode des éléments discrets.
Profil des candidats :
Le ou la candidate devra être titulaire d’un master 2 recherche (ou équivalent), dans le domaine
de la mécanique des structures ou mécanique des matériaux. Il devra être familier des outils de
simulation numérique et avoir un goût marqué pour les expérimentations.
Date de début de thèse : Septembre/Octobre 2016
Financement : Allocation de Recherche de l'Université de Bordeaux (environ 1400 € net/mois)
avec possibilité d'effectuer une mission d'enseignement (supplément de 250 € net/mois) durant la
thèse.
Encadrement : La thèse sera co-encadrée par 2 équipes d’I2M, l’une au sein du département MPI
spécialisée sur les procédés de mise en forme Pharmaceutiques et leur modélisation par éléments
finis (FEM), l’autre au sein du département DuMAS spécialisé en mécanique de la rupture et en
modélisation par éléments discrets (DEM).
Pierre Tchoreloff, Professeur des Universités, Université de Bordeaux
Vincent Mazel, Maître de Conférences (HDR), Université de Bordeaux
Jean-Benoit Kopp, Maître de Conférences, Arts Et Métiers ParisTech
Jérémie Girardot, Ingénieur de recherche, Arts Et Métiers ParisTech
Contact et envoi des candidatures (CV et lettre de motivation) :
Pierre Tchoreloff <[email protected]>
Vincent Mazel <[email protected]>
Jean-Benoit Kopp <[email protected]>
Jérémie Girardot <[email protected]>