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Theses Year : 2020

Fracture behavior of brittle heterogeneous materials : application to the pharmaceutical tablet

Comportement à rupture des matériaux hétérogènes fragiles : application au comprimé pharmaceutique

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Abstract

The tablet is one of the main pharmaceutical dosage form for drug delivery. It is produced using die compaction from a powder mixture. Although compression has been used for over a century and is one of the most widely used processes in the pharmaceutical industry, its use remains largely empirical. This makes it difficult to predict the occurrence of issues that arise during the manufacturing of tablets like capping. This mechanism corresponds to a sudden failure of the tablet after its ejection from the die. Due to the lack of fundamental understanding of this mechanism there is yet no universal solution to this problem. Solving this issue first requires a thorough understanding of the mechanical behavior of tablets and more particularly of the various mechanisms involved in their failure. As part of this thesis, the tablet fracture was studied from the test conventionally used in the pharmaceutical field: the Brazilian test. Initially, the tablet fracture was analyzed from a stress approach. Since the capping is caused by fracture due to local over-stresses, we were particularly interested in the failure of the tablets under a stress concentration induced by the introduction of a controlled size defect. The study first made it possible to show the differences in sensitivity to a stress concentration of the different materials studied. In addition, thanks to the implementation of an adapted fracture criterion, the average stress, coupled with an analysis of the materials microstructure by X-ray tomography, it was possible to link the sensitivity to a stress concentration and the microstructure of the tablet. Finally, using the L.E.F.M. formalism (Linear Elastic Fracture Mechanics), an energetic approach to the tablets fracture in a Brazilian test was implemented. Rapid propagation of macroscopic cracks was observed. In order to estimate the inertia effects induced by this rapid crack propagation, a high speed camera was used to follow the crack tip position over time while performing the Brazilian test. The finite element method (FEM) made it possible to simulate dynamic fracture by implementing a node release technique. This numerical analysis of the experimental data made it possible to define a dynamic correction factor adapted to the test geometry in order not to over-estimate the energy release rate in dynamic state.
Le comprimé pharmaceutique est une des formes galéniques principales. Il est mis en forme, à partir d’un mélange de poudres, lors d’une opération de compression en matrice. Bien que la compression soit utilisée depuis plus d’un siècle et fasse partie des procédés les plus employés dans l’industrie pharmaceutique, son utilisation reste encore très largement empirique. Ceci rend difficile toute anticipation des problèmes rencontrés au cours de l’industrialisation comme par exemple le clivage. Ce mécanisme correspond à une rupture brutale du comprimé lors de sa mise en forme. Le manque de compréhension fondamentale de ce mécanisme fait qu’il n’existe à ce jour aucune solution universelle. La résolution de ce problème passe dans un premier temps par une compréhension approfondie du comportement mécanique des comprimés et plus particulièrement des différents mécanismes intervenant dans la rupture de ces derniers. Dans le cadre de cette thèse, la rupture des comprimés a été étudiée à partir de l’essai classiquement utilisé dans le domaine pharmaceutique : l’essai Brésilien. Dans un premier temps, la rupture des comprimés a été analysée à partir d’une approche en contrainte. Le clivage étant provoqué par des ruptures dû à des sur-contraintes locales, on s’est intéressé plus particulièrement à la rupture des comprimés sous une concentration de contraintes induite par l’introduction d’un défaut de taille contrôlé. L’étude a d’abord permis de montrer les différences de sensibilité à la concentration de contraintes des différents matériaux étudiés. De plus, grâce à la mise en place d’un critère de rupture adapté, l’average stress, couplé à une analyse de la microstructure des matériaux par tomographie à rayon-X, il a été possible de relier les comportements macroscopiques observés expérimentalement tel que la sensibilité à la concentration de contraintes à la microstructure des matériaux. Finalement, à partir des formalismes de la M.E.L.R. (Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture), une approche énergétique de la rupture des comprimés lors d’un essai Brésilien a été mise en place. Une propagation rapide de fissures macroscopiques a été observée. Afin d’estimer les effets inertiels induits par la propagation rapide des fissures, la position du sommet de fissure a été mesurée pendant la propagation à l'aide d'une caméra rapide. La méthode des éléments finis (FEM) a permis de simuler la rupture dynamique en implémentant une technique de relâchement des nœuds. Cette analyse numérique des données expérimentales a permis de définir un facteur de correction dynamique adapté à la géométrie d’essai afin de ne pas sur-estimer le taux de restitution d’énergie en régime dynamique.
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tel-03092323 , version 1 (02-01-2021)

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Cite

Benjamin Croquelois. Comportement à rupture des matériaux hétérogènes fragiles : application au comprimé pharmaceutique. Mécanique [physics]. Université de Bordeaux, 2020. Français. ⟨NNT : 2020BORD0206⟩. ⟨tel-03092323⟩
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