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Co-spray drying process for mesoporous silica nanoparticles drug loading
No full textLes nanosystèmes à visée biomédicale sont de plus en plus étudiés en tant qu’outil thérapeutique pour la délivrance contrôlée de substances actives. Grâce à leurs propriétés de surface, leur morphologie, leur réseau poreux organisé ainsi que leur biocompatibilité, les nanoparticules de silice mésoporeuse de type MCM-41 (notées MSN) font partie des nanovecteurs les plus répandus. Leur synthèse et leur fonctionnalisation externe/interne ont été largement étudiées ainsi que leurs propriétés biologiques. Néanmoins, les procédés conventionnels de charge en molécules actives de MSN, comme l'imprégnation, ne présentent pas une efficacité de charge suffisante et sont difficiles à envisager à l'échelle industrielle. Pour surmonter ces limitations, nous avons mis en place un procédé innovant de co-séchage par atomisation pour les MSN, utilisant le Nano Spray Dryer B-90. L’ibuprofène a été choisi comme molécule modèle en raison de ses propriétés physico-chimiques, dont son caractère très faiblement hydrosoluble, de sa taille moléculaire et de la littérature abondante associée. Des techniques complémentaires, telles que DLS, MEB, MET, SAXS, RMN du solide, Adsorption d’azote, ATG/ATD, … etc ont été utilisées pour effectuer une caractérisation multi-échelle des particules chargées. Les poudres séchées par atomisation ont été analysées du point de vue de la taille et de la morphologie des agrégats de MSN formés lors de l’atomisation, de la charge des pores et de la conformation de l'ibuprofène et de ses interactions avec la silice. La caractérisation de poudre atomisée dans des conditions considérées comme référentes prouve que l’ibuprofène se charge dans les pores des MSN et se trouve dans un état qualifié de pseudo-liquide au sein du réseau, interagissant de manière non préférentielle avec la matrice de silice. Un mécanisme de charge en deux étapes a été proposé.Une première étape de charge au sein de la suspension initiale résulte de l’équilibre entre les molécules d’ibuprofène libres en solution et celles physisorbées à l’intérieur des pores des MSN. La seconde étape est réalisée au cours du séchage provoquant l’évaporation du solvant et la diffusion des molécules d’ibuprofène libres dans le réseau de pores. Le rapport massique ibuprofène/silice dans la suspension initiale affecte fortement la localisation (dans les mésopores ou en dehors) et l’état physique (cristallisé, amorphe ou pseudo-liquide) de l'ibuprofène. La quantification de chacune de ces phases a permis de calculer des taux de charge précis. Ainsi, pour des ratios élevés en ibuprofène dans la suspension initiale, il a été démontré que le remplissage des pores continue de s’exercer, alors même que de l’ibuprofène cristallin se forme à l’extérieur des pores. L’augmentation du taux de remplissage des pores s’accompagne dans ce cas d’une densification de l’ibuprofène dans le réseau poreux, passant d’un état pseudo-liquide à un état amorphe. La concentration initiale en solide dans la suspension ainsi que la composition du solvant modifient la densité des agglomérats de MSN. En outre, les paramètres liés au procédé : la taille des pores de la buse d’atomisation, le débit de suspension d’alimentation, la température et le débit du gaz sécheur ont un effet moindre sur la charge en principe actif mais impactent la taille, la morphologie et la densité des agglomérats, ainsi que le rendement de récupération de la poudre en fin d’opération. Ces effets résultent de l’influence de ces paramètres sur la composition des gouttes formées par la buse d’atomisation et sur la cinétique de séchage. Une étude préliminaire a permis d’évaluer les propriétés de libération des MSN chargées et de mettre en évidence une libération rapide et complète de l’ibuprofène encapsulé.Nanosystems for nanomedicine have been extensively studied as a therapeutic tool for drug delivery. Thanks to their surface properties, their morphology, organized porous network and biocompatibility, MCM-41 type Mesoporous Silica Nanoparticles (MSN) are among the most common nanocarriers. Synthesis and external/internal functionalization of these MSN have been increasingly studied, as well as their biological properties. Nevertheless, the conventional drug loading processes of MSN, such as impregnation, do not enable sufficient efficiency and are difficult to scale-up. To overcome these limitations, we implemented an innovative co-spray-drying process, using the Nano Spray-Dryer B-90, to load MSN. Ibuprofen has been chosen as a model molecule, due to its physico-chemical properties, including a slightly water-solubility, its molecular size, and an abundant literature on this molecule. Complementary techniques such as DLS, SEM, TEM, SAXS, solid-state NMR, N2 adsorption, TGA/TDA were used to perform a multi-scale characterization of the loaded particles. Spray-dried powders have been analysed from aggregates size and morphology to pore loading (ibuprofen conformation and ibuprofen interaction with silica). The reference spray dried powder characterization demonstrates the effective ibuprofen loading inside MSN pores, in a liquid-like state without preferential interaction with the silica matrix. Two consecutive stages of pore filling have been proposed. The first one is due to ibuprofen physisorption in the MSN in the initial suspension, resulting of an equilibrium between free ibuprofen in solution and adsorbed molecules. The second stage occurs during the drying step. Inside the droplets, the evaporation leads to the diffusion of the molecules from the solvent to the pores. The ibuprofen/silica weight ratio inside the initial suspension strongly affects the location (inside or outside the mesopores) and the conformation (crystallized, amorphous or liquidlike) of ibuprofen. The quantification of each phase led to estimate precise loading rates and demonstrated tunable pore filling. Thus, for high initial ibuprofen:silica ratios the pores are still loaded whereas a crystalline ibuprofen phase appears out of the porous network. The increase of the loading rate is then due to the densification of the intraporous ibuprofen, switching from a liquid-like state to an amorphous one. The initial solid concentration of the suspension and the solvent composition influences the MSN agglomerates density. Furthermore, the process parameters: mesh pore size, suspension flow rate, gas temperature and flow rate have a minor effect on the drug loading. However, they strongly affect the agglomerate size, morphology, density, and the recovery powder yield. Those effects result from the influence of these parameters on the droplets and on the drying kinetics. A preliminary study allowed to evaluate the drug release MSN-loaded properties, and to highlight a fast and total release of the loade
Caractérisation et comportement de suspensions concentrées de nanoparticules sous écoulement : Application aux processus d'agrégation et de rupture
Full text linkL'objectif est d'améliorer la connaissance des méthodes de caractérisation des propriétés granulométriques et structurales de suspensions denses de nanoparticules placées sous des conditions hydrodynamiques comparables à celles de procédés réels. Ce travail porte sur l'agrégation de silice colloïdale en cuve agitée afin de parvenir, par l'exploitation de méthodes de caractérisation en milieu dense en ligne du procédé (spectroscopie acoustique) ainsi qu'en milieu dilué hors ligne, à une meilleure compréhension des mécanismes d'agrégation de nanoparticules. Le suivi des distributions de taille et de la structuration de la suspension a révélé l'existence de deux étapes d'agrégation de cinétiques différentes influencées par la physico-chimie du procédé et par l'hydrodynamique du système. Enfin la modélisation par les bilans de population des processus d'agrégation et de rupture des particules en suspension a permis de justifier les hypothèses émises sur les mécanismes d'agrégation observés. ABSTRACT : The aim of this study is to get a better knowledge of the different characterization techniques of particle size and particle structure for dense colloidal suspensions submitted to hydrodynamic conditions similar to those found in real processes. The aggregation process of colloidal silica in a stirred tank is investigated in this work. The aggregation mechanisms are better understood thanks to the use of on-line characterization method in dense conditions (acoustic spectroscopy) and off-line characterization in diluted conditions. The existence of two aggregation steps with different kinetics was highlighted by the following of the particle size distributions and the suspension structure. The evolution is influenced by the process physico-chemical parameters and the hydrodynamics of the system. Finally, the assumptions formulated for the experimental aggregation mechanisms were justified by the results of a population balance numerical model for aggregation and breakag
Ingénierie des particules fonctionnelles : Avancées et perspectives en procédés de production et mise en forme
No full textLes travaux que je mène portent sur l’élaboration de particules en suspension ou de poudres sèches pour des applications diverses (pharmacie, optique de pointe, nucléaire, etc.) ainsi que sur l’étude des liens entre les paramètres des procédés alors mis en œuvre (atomisation, encapsulation, précipitation, etc.) et les propriétés fonctionnelles des matériaux particulaires produits.Dans ce cadre, je présente ici mes activités autour de deux axes principaux d’étude :•Processus d’agglomération de (nano)particules en suspension•Procédés pour la génération, le traitement et la mise en forme de nouveaux matériaux fonctionnels.La thématique que je développe au sein du Laboratoire de Génie Chimique se focalise ainsi sur l’étude des procédés particulaires pour la mise au point de matériaux innovants, et en particulier de nanosytèmes pour la délivrance contrôlée de molécules actives pour des applications biomédicales.Les perspectives de mes recherches portent principalement sur la mise au point de nanosystèmes pour la délivrance contrôlée de molécules actives. Pour cela, afin d’éviter les problèmes d’instabilité inhérents à l’élaboration de nanoparticules en suspension, la démarche suivie est de générer ces nanosystèmes en voie sèche grâce à l’encapsulation de la molécule active par nanoatomisation. Les perspectives de mes recherches portent à court terme sur des études fondamentales du procédé de nanoatomisation, qui est encore peu développé, afin de mieux maitriser les aspects hydrodynamiques du procédé. Mais aussi à moyen et long termes sur l’étude et le développement de procédés, extrapolables à l’échelle industrielle, complémentaires à l’atomisation, pour la production de nanoparticules hybrides fonctionnalisées présentant de bonnes propriétés de transport, de ciblage et de libération contrôlée de molécules et pouvant ainsi être utilisées pour la thérapie et le diagnostic médical par exemple
Caractérisation et comportement de suspensions concentrées de nanoparticules sous écoulement: Application aux processus d'agrégation et de rupture
No full textThe aim of this study is to get a better knowledge of the different characterization techniques of particle size and particle structure for dense colloidal suspensions submitted to hydrodynamic conditions similar to those found in real processes. The aggregation process of colloidal silica in a stirred tank is investigated in this work. The aggregation mechanisms are better understood thanks to the use of on-line characterization method in dense conditions (acoustic spectroscopy) and off-line characterization in diluted conditions. The existence of two aggregation steps with different kinetics was highlighted by the following of the particle size distributions and the suspension structure. The evolution is influenced by the process physico-chemical parameters and the hydrodynamics of the system. Finally, the assumptions formulated for the experimental aggregation mechanisms were justified by the results of a population balance numerical model for aggregation and breakage.L'objectif est d'améliorer la connaissance des méthodes de caractérisation des propriétés granulométriques et structurales de suspensions denses de nanoparticules placées sous des conditions hydrodynamiques comparables à celles de procédés réels. Ce travail porte sur l'agrégation de silice colloïdale en cuve agitée afin de parvenir, par l'exploitation de méthodes de caractérisation en milieu dense en ligne du procédé (spectroscopie acoustique) ainsi qu'en milieu dilué hors ligne, à une meilleure compréhension des mécanismes d'agrégation de nanoparticules. Le suivi des distributions de taille et de la structuration de la suspension a révélé l'existence de deux étapes d'agrégation de cinétiques différentes influencées par la physico-chimie du procédé et par l'hydrodynamique du système. Enfin la modélisation par les bilans de population des processus d'agrégation et de rupture des particules en suspension a permis de justifier les hypothèses émises sur les mécanismes d'agrégation observés
Monitoring of the Aggregation Process of Dense Colloidal Silica Suspensions in a Stirred Tank by Acoustic Spectroscopy
Full text linkThe aim of this study is to analyze the behaviour of dense colloidal suspensions in flow by acoustic spectroscopy. The destabilization and the aggregation of stable colloidal silica dispersions in a stirred tank are obtained by addition of salt. Experiments were made in order to observe the influence of different operating parameters, like silica concentration, temperature and stirring speed, on the behaviour of the suspended particles. The use of online acoustic spectroscopy to analyse the process enables us to evaluate the evolution of the silica suspension properties during the aggregation processes. For example, the influence of physicochemical and hydrodynamics parameters on the aggregation process can be simply explained on the basis of the acoustic attenuation spectra. Thus the direct analysis of the spectra can give information on the evolution of the aggregation process and a fast comparison of the effects of the various operational parameters
Analyse du comportement de suspensions concentrées de silice colloïdale lors de leur destabilisation électrostatique en cuve agitée
Full text linkL’objectif de cette étude est d’analyser par spectroscopie acoustique le comportement, dans des conditions de déstabilisation, de la silice colloïdale en suspension dense soumise à des forces hydrodynamiques. Le phénomène d’agrégation des particules, obtenu par déstabilisation de dispersions stables, est provoqué par ajout de sel et est mis en oeuvre dans une cuve agitée.
Des expériences ont été menées dans le but d’observer l’influence de différents paramètres opératoires (concentration en silice, température et vitesse d’agitation) sur le comportement des particules en suspension.
L’analyse par la spectroscopie acoustique en ligne du procédé a permis d’appréhender l’évolution de certaines propriétés des suspensions de silice au cours des processus d’agrégation mis en jeu
A Survey of Complementary Methods for the Characterization of Dense Colloidal Silica
No full textThe aim of this study is to enhance existing knowledge for using different techniques developed for characterization of stability and particle sizing of nanoparticles in dense dispersions subjected to interparticular and hydrodynamic forces. Silica suspension, commercially known as Klebosol® 30R50 and containing particle size 80 nm on average, was investigated in the study over a wide range of concentrations. The investigations were carried out using different optical and acoustic techniques such as laser diffraction, multiple light scattering, photon correlation spectroscopy and acoustic spectroscopy. The study brings out capabilities and limitations of these modern techniques based on different physical principles behind the characterization of size distribution of particles in suspensions. The results are presented in terms of particle size range, solid concentration and technological aspects such as on-line and off-line analysis. An important finding is that at higher concentrations many of these modern techniques need to be improved because the standard models become practically invalid because of complex interaction of acoustic and optical waves with particles in suspensions of silica
Analyse du comportement de suspensions concentrées de silice colloïdale lors de leur destabilisation électrostatique en cuve agitée
No full textNational audienceL’objectif de cette étude est d’analyser par spectroscopie acoustique le comportement, dans des conditions de déstabilisation, de la silice colloïdale en suspension dense soumise à des forces hydrodynamiques. Le phénomène d’agrégation des particules, obtenu par déstabilisation de dispersions stables, est provoqué par ajout de sel et est mis en oeuvre dans une cuve agitée.Des expériences ont été menées dans le but d’observer l’influence de différents paramètres opératoires (concentration en silice, température et vitesse d’agitation) sur le comportement des particules en suspension.L’analyse par la spectroscopie acoustique en ligne du procédé a permis d’appréhender l’évolution de certaines propriétés des suspensions de silice au cours des processus d’agrégation mis en jeu
Aggregation of concentrated colloidal silica dispersions in a stirred tank
No full textInternational audienceConcentrated suspensions of nanoparticles subjected to transport or shear forces are commonly encountered in many processes such as precipitation, wet comminution or filtration. In these processes, particles are likely to undergo processes of aggregation and fragmentation under physico-chemical interactions and hydrodynamic forces. This study is focused on the analysis of the behaviour of colloidal silica in dense suspensions subjected to hydrodynamic forces in conditions of destabilization.A colloidal silica suspension of particles with an initial size of about 80 nm was used. The silica suspension concentration was varied between 3 and 20% of weight. The phenomenon of aggregation was observed in the absence of any other process such as precipitation and the destabilization of the colloidal suspensions was obtained by adding sodium chloride salt.Various techniques of characterization of the particle size (acoustic spectroscopy, laser diffraction) and of the physico-chemical properties of the suspensions were used allowing defining the silica dispersion properties (suspension stability, particle size, pH).The experiments were proceeded in a batch agitated vessel. They were made in order to observe the influence of different parameters (silica concentration, temperature, agitation speed) on the behaviour of the suspended particles.The evolution of the particle size distributions versus time during the processes of aggregation was particularly followed on line by acoustic spectroscopy in dense conditions. Samples were also analyzed after an appropriate dilution by laser diffraction. The results show the different stages of the silica aggregation process whose kinetic rates depend either on physico-chemical or hydrodynamics parameters. They allow understanding the mechanisms of the aggregation process under flowing conditions
Caractérisation et comportement de suspensions concentrées de nanoparticules sous écoulement (application aux processus d'agrégation et de rupture)
No full textL'objectif est d'améliorer la connaissance des méthodes de caractérisation des propriétés granulométriques et structurales de suspensions denses de nanoparticules placées sous des conditions hydrodynamiques comparables à celles de procédés réels. Ce travail porte sur l'agrégation de silice colloïdale en cuve agitée afin de parvenir, par l'exploitation de méthodes de caractérisation en milieu dense en ligne du procédé (spectroscopie acoustique) ainsi qu'en milieu dilué hors ligne, à une meilleure compréhension des mécanismes d'agrégation de nanoparticules. Le suivi des distributions de taille et de la structuration de la suspension a révélé l'existence de deux étapes d'agrégation de cinétiques différentes influencées par la physico-chimie du procédé et par l'hydrodynamique du système. Enfin la modélisation par les bilans de population des processus d'agrégation et de rupture des particules en suspension a permis de justifier les hypothèses émises sur les mécanismes d'agrégation observésThe aim of this study is to get a better knowledge of the different characterization techniques of particle size and particle structure for dense colloidal suspensions submitted to hydrodynamic conditions similar to those found in real processes. The aggregation process of colloidal silica in a stirred tank is investigated in this work. The aggregation mechanisms are better understood thanks to the use of on-line characterization method in dense conditions (acoustic spectroscopy) and off-line characterization in diluted conditions. The existence of two aggregation steps with different kinetics was highlighted by the following of the particle size distributions and the suspension structure. The evolution is influenced by the process physico-chemical parameters and the hydrodynamics of the system. Finally, the assumptions formulated for the experimental aggregation mechanisms were justified by the results of a population balance numerical model for aggregation and breakageTOULOUSE-ENSIACET (315552325) / SudocSudocFranceF
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