The overall aim of this project was to study 'functionalised' calcium carbonates (FCCs) for use as a carrier for the controlled release of 'actives,' by permeation and diffusion, and is being proposed as an environmentally friendly and non-toxic pharmaceutical excipient, nutraceutical, and flavour carrier. The delivery of a drug to its target site in the appropriate amount and time-frame in order for it to have a controlled release effect whilst achieving the maximum therapeutic effect remains a topic of design and development for novel drug delivery systems. FCCs encompass a family of new pharmaceutical excipients in which the conditions of manufacture follow strict process regulations with respect to the grade of reagents that are employed and the microbiological environment under which they are produced, and include freedom from organic polymers. Adjustments to the FCC production process can be used to produce a wide range of different morphologies, and raise the possibility of tailoring the void structures of the particles to provide controlled release delivery vehicles for actives across many fields, including drugs and flavours. However, such tailoring can only be fully optimised by a fundamental characterisation of the way in which a drug, loaded into an FCC, then flows and diffuses out over a period of time to provide the delayed release. It was found that adsorption on the FCC surface is selective, for example, saccharin does not become adsorbed from 4-(2-hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid (HEPES) buffer solution, and neither does anethole from ethanol. FCC also does not adsorb the cationic probe benzyltrimethylammonium bromide (BTMAB) or the anionic probe sodium 2-naphthalenesulphonate (Na2NS). However, it was found that vanillin adsorbs onto the FCC in an amount of 2.00 ± 0.59 mg g^-1. Aspirin and vanillin adsorption from ethanolic solutions with various additions of water onto FCC TP was investigated and fitted with the Tóth isotherm. It was estimated that vanillin adsorbed onto around 17 %, and aspirin onto around 39 %, of the overall FCC TP surface area without the addition of any water. An equation was formulated in order to approximate the adsorption as a function of the FCC's surface coverage by the water. This is discussed in Chapter 4 and has also been published in a peer-reviewed academic journal (Levy et al., 2017). Chapter 5 discusses the preliminary steps of the loading of vanillin and saccharin into FCC, and the results were inconclusive for a majority of samples, concluding that the loading and analysis methods need refining. The modelling of the diffusion profiles of vanillin loaded FCC S07 and S10 was successful, and resulted in diffusion coefficients of 231.9 x 10^-16 m^2 s^-1 and 248.44 x 10^-16 m^ s^-1, respectively. This is outlined in Chapter 6. Chapter 7 describes the 'zero length column' (ZLC) technique, which was used as a way to characterise the diffusivity of the intraparticle pores of each FCC grade. However, it was established that there are many experimental artefacts present with such a method. This work outlines the development of the novel 'finite length column' (FLC), which was developed as a means to overcome the limitations of the ZLC (Levy et al., 2015). Effective diffusivity coefficients in the long-term region of the diffusion curves of the FCC samples range from 1.06-106 x 10 ^-16 m ^2 s^-1. The FLC was then used in preliminary trials to dilute FCC with an inert solid in order to further refine the ZLC technique, and is discussed in Chapter 8. Two mathematical methods were also developed to aid in the refinement. The reported effective diffusivity coefficient for FCC 03 in the long-term region of the diffusion curve is 49.5 x 10^-16 m^2 s^-1. In conclusion, this work confirms that FCC has potential for use as a carrier for the controlled release of 'actives' by diffusion. The utilisation of mathematical modelling in conjunction with experimental methods in the study of drug release and delivery is steadily increasing due to its enormous future potential; it will enable the optimisation of novel dosage forms and the elucidation of release mechanisms at a major reduction in cost and time compared with the number of experimental studies required to do so.

L'objectif de ce travail de thèse est la modification de surface de deux supports inorganiques (nanoparticules mésoporeuses de silice, nanoparticules de carbonate de calcium) par greffage molécules organiques (organosilanes et phosphonates).Des nanoparticules mésoporeuses de silice (MSN) de type MCM-41 ont été synthétisées par micro-émulsion directe et greffées dans des conditions douces par l'isocyanatopropyle trichlorosilane. Ensuite, la réactivité de la fonction isocyanate a été testée par post-modification en utilisant plusieurs nucléophiles aminés. La synthèse, le greffage et la post-modification ont été caractérisés par plusieurs méthodes physico-chimiques. Des MSN fonctionnalisées en surface par un agent de couplage photolabile ont également été élaborées et testées sous irradiation UV, dans la perspective de préparer des nanovalves pour la délivrance photo-contrôlée de médicaments.La modification de surface de nanoparticules de carbonate de calcium (calcite) par formation de monocouches phosphonates a été étudiée. Les conditions réactionnelles ont été optimisées pour favoriser le greffage en évitant la dissolution du carbonate de calcium et la précipitation de phases de phosphonate de calcium. Des monocouches denses ont été obtenues avec différents acides phosphoniques en milieu organique et en milieu aqueux. L'utilisation d'esters phosphoniques (diéthyl esters) a également été explorée. Les nanoparticules modifiées ont été caractérisées par différentes techniques (spectroscopies RMN et IR, DRX, analyse élémentaire, microscopie électronique, test de mouillabilité) afin d'identifier la nature des espèces de surface. / The objective of this thesis is the surface modification of two inorganic supports (mesoporous silica nanoparticles, calcium carbonate) by grafting organic molecules (organosilanes and phosphonates derivatives).Mesoporous silica nanoparticles (MSN) of MCM-41 type were synthesized by direct micro-emulsion and grafted under mild conditions using isocyanatopropyltrichlorosilane. Then, the reactivity of the isocyanate function was tested by post-modification using several amino nucleophiles. Synthesis, grafting and post-modification steps have been characterized by several physicochemical methods. MSN surface functionalized with a photolabile coupling agent have also been developed and tested under UV irradiation, with a view to prepare nanovalves for photo-controlled drug-delivery.The surface modification of nanoparticles of calcium carbonate (calcite) by phosphonate monolayers was investigated. The reaction conditions were optimized to favor grafting and prevent the dissolution of calcium carbonate leading to the precipitation of calcium phosphonate phases. Dense monolayers were obtained with different phosphonic acids in organic and aqueous media. The use of phosphonic esters (diethyl esters) was also explored. The modified nanoparticles were characterized by different techniques (NMR and IR spectroscopy, XRD, elemental analysis, electron microscopy, wettability testing) to identify the nature of the surface species.

L’objectif de ce travail est de concevoir, développer, mettre en œuvre et optimiser une technologie continue permettant une bonne maîtrise des réactions de précipitation, processus chimique rapide donnant naissance à une phase solide. Ce précipiteur est un réacteur multifonctionnel à lit fluidisé qui n’a pas connu le même essor que les cristallisoirs à lit fluidisé. Deux approches expérimentales ont été adoptées : (1) l’étude des phénomènes de mélange des réactifs et (2) l’étude de l’influence des conditions opératoires sur la précipitation d’un produit modèle. Le produit modèle choisi pour cette étude est la calcite, le polymorphe le plus stable du carbonate de calcium qui possède trois polymorphes : la vaterite, l’aragonite et la calcite. Cette dernière est obtenue via la réaction de précipitation entre les solutions de chlorure de calcium et de carbonate de sodium à une température de 20° C et en présence d’un agent complexant (citrate de sodium) pour orienter la forme cristalline recherchée. Une étude cinétique a été menée pour la détermination des cinétiques de nucléation et de croissance cristalline de la calcite en milieu citrate. Le réacteur à lit fluidisé, de volume de 10 L, constitué de deux zones : cylindrique de fluidisation et de classification des particules et cylindro-conique de décantation, a été conçu au Laboratoire des Sciences du Génie Chimique. L’étude du mélange global, réalisée à l’aide de la réaction de décoloration acide-base et l’étude hydrodynamique, réalisée à l’aide de suspensions de microbilles, ont permis de développer et d’optimiser ce réacteur multifonctionnel. La faisabilité de la précipitation de la calcite en lit fluidisé a été ensuite vérifiée. Les expériences effectuées en présence d’une charge solide conséquente ont permis de diminuer la sursaturation et de favoriser la croissance cristalline. Le précipité obtenu présente une distribution de taille relativement étroite et la forme des particules obtenues est sensiblement sphérique. Enfin, des essais de modélisation du réacteur à lit fluidisé ont été entrepris pour réaliser des simulations à l’aide du code de calcul commercial FLUENT / The objective of this work is to conceive, develop, implement and to optimize a continuous technology allowing a good control of the precipitation reactions, fast chemical process, giving birth to a solid phase. This precipitor is a multipurpose engine with fluidized bed which did not make the same great strides like fluidized bed crystallizers. Two experimental approaches were adopted : (1) the study of the mixing phenomena of the reagents and (2) the study of the influence of the operating conditions on the precipitation of a model product. The model product selected for this study is the calcite, the polymorphic most stable phase of calcium carbonate which has three polymorphs: vaterite, aragonite and calcite. The latter is obtained by the precipitation reaction between the calcium chloride and sodium carbonate solutions at a temperature of 20° C and a complexing agent (sodium citrate) to have the required crystalline form. A kinetic study was undertaken for the determination of the nucleation and crystalline growth kinetics of calcite in citrate medium. The fluidized bed reactor, having a volume of 10 L, consisted of two zones: cylindrical for fluidization and classification of the particles and cylindro-conical for decantation, was conceived at the Chemical Engineering Science Laboratory (LSGC). The study of mixing phenomena, performed using the decoloration acid-base reaction and the hydrodynamic study, carried out using suspensions of glass microballs, made it possible to develop and optimize this multipurpose reactor. The feasibility of the precipitation of calcite in a fluidized bed was then checked. The experiments carried out in the presence of an important solid content made it possible to decrease supersaturation and to support the crystalline growth. The precipitate obtained presents a relatively narrow size distribution and the particle shape is appreciably spherical. Lastly, the modelling tests of the fluidized bed reactor were undertaken to carry out simulations using the FLUENT commercial computer code

Cette thèse s’est inscrite dans le cadre du projet ACACIA (Amélioration du CAptage du CO2 Industriel et Anthropique) soutenue par le pôle de compétitivité AXELERA et financé par « FUI » et « LE GRAND LYON ». Notre objectif était d’immobiliser l’anhydrase carbonique dans des gels inorganiques, en particulier la silice afin de préserver la structure de l’enzyme, sa fonctionnalité et de la protéger de l’environnement physico-chimique environnant. Pour cela, des essais préliminaires simples nous ont permis d’élaborer et de construire une cellule, comprenant membrane polymérique poreuse imprégnée de solution enzymatique aqueuse, ou de gel de silice lui-même imprégné de solution aqueuse d’enzyme. A partir de ce montage, nous avons étudié des paramètres importants de la membrane, comprenant un tampon, sa nature, molarité et son pH, ainsi que la taille des pores de la membrane et la concentration en enzyme. Il a été trouvé qu’un tampon à base de bicarbonate permet de déplacer l’équilibre de déprotonation du CO2(aq) vers un pH plus élevé, par l’apport des ions HCO3- équilibrés par des cations comme Na+, et favorise une contribution plus importante à la diffusion du CO2 à travers la membrane. Nous avons également observé que quelque soit le gaz de captage (100 % et / ou 10 % de CO2), le tampon et le type de membrane, une perméance maximum a été observée pour une concentration en enzyme de 0.2 mg mL-1. / This thesis was part of the ACACIA project on the Improvement of CO2 capture from industrial and anthropogenic fumes, supported by the AXELERA and funded by « FUI » et « THE GRAND LYON ». Our goal was to immobilize the carbonic anhydrase in inorganic gels, particularly silica, in order to preserve the structure of the enzyme, its functionality and protection of the physico-chemical environment. For this, simple preliminary tests have allowed us to develop a cell comprising a porous polymeric membrane impregnated with the aqueous enzyme solution or a silica gel itself impregnated with the enzyme solution. Important parameters were then studied on this cell, comprising the buffer: its nature, molarity and pH, the membrane pore size, and the enzyme concentration. It was found that a bicarbonate-based buffer displaced the deprotonation equilibrium of CO2(aq) to a higher pH, due the contribution of HCO3- balanced by cations such as Na+, and promotes a greater contribution to the CO2 diffusion across the membrane. We also observed that whatever the gas (100 % and / or 10 % CO2), the buffer and the type of membrane, a maximum permeance was observed for an enzyme concentration of 0.2 mg mL-1.

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration < 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration < 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.

L’objectif de ce travail est d’adapter une formulation dispersante mise au point par la société Mäder à la dispersion de carbonate de calcium (CaCO3) dans une résine polyester insaturée (UP). Le carbonate de calcium est utilisé en tant que charge dans les matériaux composites à matrice thermodurcissable et en particulier dans les SMC (Sheet Molding Compound). Le rôle de cette formulation est de diminuer les viscosités de résines UP fortement chargées tout en conservant voire en améliorant les propriétés mécaniques des composites formés par un renforcement de l’interface charge / matrice. Trois grands axes ont été développés au cours de ce travail : - le comportement rhéologique d’un mélange CaCO3/résine UP a été déterminé et la formulation dispersante a été optimisée ; - la nature des interactions entre les différents constituants de la formulation dispersante et la surface du CaCO3 a été mise en évidence ; - de nouveaux polymères permettant une dispersion plus efficace de la charge dans la résine ont été synthétisés. Le mélange CaCO3 / résine UP présente un comportement rhéologique complexe. L’optimisation de la formulation dispersante a permis d’augmenter de plusieurs pourcents le taux de charge tout en conservant des viscosités inférieures à celle autorisée par le procédé industriel. L’étude des interactions des constituants de la formulation avec le carbonate de calcium a permis de déterminer les fonctions les plus réactives et de comprendre leur interaction avec la surface de la charge. La synthèse de nouveaux dispersants a également été effectuée. Ces derniers ont ensuite été testés dans l’application et ont montré une efficacité à disperser le CaCO3 dans la résine UP. / The aim of this study is to adapt a dispersive formulation developed by the Mäder group to the dispersion of calcium carbonate (CaCO3) in an unsaturated polyester resin (UP). The CaCO3 is commonly used as filler in the domain of composites especially for Sheet Molding Compound (SMC). This dispersive formulation is able to decrease the viscosity of UP resin containing a high amount of filler. In addition, the mechanical properties of composites could be increased by reinforcing the filler / matrix interface. Three main ways have been studied: - characterization of the rheological behavior of CaCO3 / polyester blends and optimization of the dispersive formulation ; - determination of the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface ; - synthesis of new polymers in order to improve the CaCO3 dispersion in an organic matrix. A complex rheological behavior has been observed for CaCO3 / polyester blends. The dispersive formulation improvement led to an increasing of the filler percentage by keeping the viscosity under the industrial limit. The most reactive functions with the CaCO3 surface have been identified by studying the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface. New dispersing agents have been synthesized. Their efficiency has been demonstrated for the dispersion of CaCO3 in a UP resin.

Le développement considérable réalisé ces dix dernières années dans les techniques de<br />diffraction sur des échantillons sous forme de poudre même très texturés (temps<br />d'enregistrement raisonnable et très bonne résolution) et les progrès fascinants des moyens de<br />calcul sur des machines individuelles rendent possible l'accès à des informations précises et<br />avec des temps de calcul raisonnablement courts. Dans ce travail, nous avons appliqué<br />l'analyse combinée basée sur la méthode de Rietveld pour étudier des échantillons de<br />carbonates de calcium naturels de coquilles de certaines espèces de mollusques (structure,<br />texture, tailles anisotropes...etc.) et synthétiques par biomimétisme dans le but de comprendre<br />l'influence des différents facteurs intervenants dans la croissance et la forme des grains des<br />différents polymorphes de CaCO3. Dans les échantillons naturels, nous avons clairement mis<br />en évidence l'existence de déformations de mailles cristallines dues à la présence des<br />macromolécules intra-cristallines et extra-cristallines, en complément d'études du même<br />genre réalisées sur des échantillons broyés. Dans les échantillons synthétiques obtenus par une<br />méthode de synthèse simple, nous avons analysé l'effet de l'ajout d'acide polyacrylique, en<br />termes de modulateur de croissance des polymorphes de CaCO3. La simulation des<br />digrammes de diffraction anisotropes réalisée sur ces deux types d'échantillons nous a permis<br />d'accéder aux informations pertinentes de façon précise (tailles anisotropes des cristallites,<br />structure, texture, proportion volumique des polymorphes).

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration &lt; 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration &lt; 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.

Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 4 uppsatser.

La demande actuelle croissante d’excipients multifonctionnels par les laboratoires pharmaceutiques, amène les fabricants de matières premières à développer de nouveaux matériaux pouvant répondre à ces critères de performance. Parmi les différents procédés disponibles pour de telles productions, les techniques de co-traitement sont les plus sollicitées. Considérant l’évaluation de la fonctionnalité de différents excipients désintégrants, l’objectif de cette thèse a été de développer un tel excipient, original, économiquement intéressant et pouvant être utilisé dans la fabrication de comprimés par compression directe.Dans ce travail, nous nous sommes tout d’abord intéressés à étudier et à comparer la fonctionnalité de différents désintégrants commerciaux, en évaluant notamment l’influence des milieux réactionnels sur cette fonctionnalité.La chitine, deuxième polysaccharide naturel le plus abondant au monde, et présentant des propriétés physico-chimiques et pharmacotechniques pertinentes, a retenu notre intérêt. Un mélange co-processé, de chitine et de carbonate de calcium (CC) a été développée, et sa préparation optimisée afin de pouvoir disposer d’un matériau aux propriétés maîtrisées. Par des études conduites sur simulateur de compression, nous avons pu, d’une part, établir un profil complet de compression du CC, d’autre part, évaluer ses performances en compression directe en le formulant avec des proportions variables de composants actifs pharmaceutiques retenus comme traceurs modèles. Des études de stabilité ont enfin été réalisées, afin de déterminer ses meilleures conditions d’utilisation.Les résultats les plus marquants ont montré que la chitine présente une comprimabilité satisfaisante et des propriétés de désintégration qui ne sont pas influencées par l’environnement physico-chimique de la formulation. L’excipient co-processé CC a révélé des propriétés très intéressantes et notamment, une densité vraie et une coulabilité améliorées, par rapport à la chitine seule. Ses propriétés désintégrantes sont également particulièrement notables (comprises entre 2 et 5 s.). Son comportement en compression est par ailleurs très satisfaisant avec, une comprimabilité, une compressibilité et une compactibilité performantes; il est également à noter, que dans nos conditions de formulations, il n’a pas nécessité l'addition de lubrifiant. Les comprimés élaborés avec les composants actifs modèles ont fourni des profils de compression également performants et des aptitudes à la désintégration très satisfaisantes. Quant aux profils de dissolution pharmaceutique, ils ont révélé que, avec une teneur en CC égale à 30% m/m, la libération des actifs était rapide. Les études de stabilité conduites afin de définir les conditions optimales de conservation, ont montré que des précautions de température et d'humidité doivent être prises pour les produits formulés avec CC.L’excipient CC co-traité développé dans cette Etude présente toutes les caractéristiques d’un excellent excipient multifonctionnel (diluant, désintégrant, liant). Valorisant l’usage d’une matière première de base naturelle et très abondante (la chitine), facile à produire et économiquement rentable, il devrait pouvoir trouver un intérêt dans la formulation et la production de comprimés à dissolution rapide par compression directe. / Nowadays, there is an increasing demand for multifunctional excipients that replaces the need and use of multiple excipients. Pharmaceutical excipients coprocessing techniques represent important methods for new excipients development with enhanced functionalities. The objective of this thesis is to develop a cost-effective multifunctional excipient (filler-disintegrant-binder) used in tablet manufacturing by direct compression.In this thesis, we’ve studied and compared disintegrants functionality for different materials and evaluated the effect of media on their disintegrant’s functionality. In addition, chitin was chosen as a base to develop a multifunctional excipient used in direct compression as it showed a good and promising physicochemical and pharmaceutical properties. Chitin-Calcium carbonate (CC) coprocessed excipient was developed and its production was further optimized to ensure better powder properties and functionality. In addition, CC compression profile was established by studying its compression behavior under different conditions and formulating with active pharmaceutical ingredients to determine how it affects the formulation at different percentages. Finally, stability study was carried out to determine best conditions for the excipient handling.Results showed that chitin has good tabletability and disintegration properties that were not influenced by the physicochemical environment of the formulation. CC showed an enhancement in true density and flowability (that are considered as drawbacks for raw chitin use as an excipient) and fast disintegration (2-5s). The excipient had good tabletability, compressibility, compactibility, and it doesn’t need the use of a lubricant. CC showed a good compression profile at different manufacturing conditions (multiple lubrication levels, compression speeds and dwell times) while maintaining fast disintegration. It causes rapid disintegration and dissolution when formulated with active pharmaceutical ingredients starting from 30% w/w, and its inclusion was reflected positively on tablets strength. Stability studies showed that precautions on temperature and humidity conditions would need to be taken on CC formulated products. The results showed that the excipient serves as an excellent multifunctional excipient (filler, disintegrant, binder) used for fast disintegrating tablets produced by direct compression. It represents a cost-effective product that is efficient and easily produced at pilot plant and upon scale-up.