Notion de cristallisation en solution

« J’appelle entier ce qui a un commencement, un milieu et une fin. Le commencement est ce qui ne suppose rien avant soi, mais qui veut quelque chose après. » Aristote .

Les cristaux ont toujours été considérés comme des solides particuliers en raison de leur forme géométrique et pour certains de leur transparence. Cette transparence a même valu aux cristaux de gypse d’être utilisés par les Romains pour fermer les embrasures des fenêtres avant l’invention des techniques de fabrication du verre plat. Si l’utilisation des cristaux est très ancienne, leur fabrication ne l’est pas moins. Par exemple, depuis l’Antiquité les hommes cristallisent le sel dans les marais salants.

L’opération permettant d’obtenir des cristaux est appelée cristallisation. Elle correspond au passage d’un état désordonné de la matière à un état ordonné et solide. Il existe cependant différents types de cristallisation. L’eau qui gèle forme des cristaux de glace lors du passage de l’état liquide à l’état solide, on parle de cristallisation en bain fondu. Pour la cristallisation du sel dans les marais salants, on parle de cristallisation en solution. Ce second type de cristallisation permet le passage d’un soluté de l’état dissout à l’état de solide cristallin. Dans ce travail, nous étudierons spécifiquement la cristallisation en solution.

La cristallisation en solution met en jeu plusieurs phénomènes qui gouvernent différentes propriétés des cristaux obtenus. Ainsi, la croissance des cristaux détermine leur faciès (formes extérieures des cristaux), leur morphologie (faces) et leur taille, alors que la nucléation (l’apparition de nouveaux cristaux) détermine la phase cristalline. Ces différents paramètres (faciès, morphologie, taille et phase cristalline) vont faire varier les propriétés des cristaux et donc les propriétés du produit fabriqué à partir de ces cristaux. La cristallisation en solution est utilisée dans de très nombreux procédés et dans des domaines variés : cristallisation du sel ou du sucre dans l’agroalimentaire, cristallisation du savon dans l’industrie lessivielle, cristallisation de cristaux de grandes tailles et de grande qualité pour l’optique, cristallisation de nombreux principes actifs dans l’industrie pharmaceutique… Mais tous ces domaines n’ont pas les mêmes exigences quant à l’étape de cristallisation en solution. Dans certains domaines, elle n’est pas une étape critique (cristallisation du sel par exemple), dans d’autres domaines, cette étape peut avoir des conséquences majeures (cristallisation de principes actifs).

Dans l’industrie pharmaceutique, une étape de cristallisation mal contrôlée (en termes de reproductibilité) peut mettre en danger la vie des patients. En effet, le changement de faciès, de taille ou de phase cristalline des cristaux obtenus peut modifier radicalement leurs propriétés de dissolution. Cela a pour conséquence de modifier la biodisponibilité du principe actif, le rendant toxique ou inefficace. Si la taille moyenne des cristaux peut être modifiée après la cristallisation (par broyage, granulation…), la phase cristalline elle, est totalement dépendante du procédé de cristallisation et plus particulièrement de l’étape de nucléation. Cela a déjà conduit à des incidents par le passé, comme dans le cas du Ritonavir . Ces incidents ont poussé les autorités à exiger des laboratoires pharmaceutiques une étude approfondie du processus de cristallisation afin de réduire au maximum ce risque. Cela va également dans le sens de l’intérêt des laboratoires puisque ces derniers peuvent breveter chaque phase cristalline découverte et donc protéger davantage leurs produits contre la fabrication de contrefaçons.

Notion de cristallisation en solution 

La cristallisation en solution est un changement d’état au cours duquel un corps va passer de l’état dissout à l’état de solide cristallin. Malgré la simplicité de mise en œuvre de la cristallisation en solution, utilisée depuis de nombreux siècles dans les marais salants, ce phénomène repose sur des principes physiques qui peuvent être complexes. Il convient donc de prendre un peu de temps pour définir les bases de la cristallisation en solution. L’objet de cette partie est de définir les différents aspects de la cristallisation en solution qui seront abordés dans ce manuscrit. Tout d’abord, quelques généralités sur les notions de solubilités, de sursaturation et de faciès cristallins seront exposées succinctement. Puis le concept de phases cristallines sera défini en cherchant à mettre en lumière les possibilités de caractérisation dans un but de criblage de phase. Enfin, une revue bibliographique de la nucléation sera réalisée afin de voir comment les différentes notions vues précédemment interagissent au cours de cette étape.

Généralités 

Cette première partie s’attachera à définir quelques notions fondamentales de la cristallisation en solution telle que la solubilité, la sursaturation, la croissance cristalline et le faciès. Une solution se définit comme la dispersion d’un composé, le soluté, dans un second composé, le solvant. On dit alors que le soluté est dissout par le solvant. On peut avoir une idée rapide du pouvoir de dissolution d’un solvant sur un soluté donné par la règle du « like dissolve like », c’est à dire qui se ressemble (chimiquement) se dissout . Cependant, il existe une quantité maximale de soluté qui peut être dissoute dans un volume donné de solvant, elle correspond à l’équilibre cristal/solution. Cette quantité maximale est appelée solubilité C* et sera exprimée en mg/ml dans ce manuscrit. Lorsque la quantité maximale de soluté a été dissoute dans le solvant, la solution est dite saturée. La solution satisfait alors à l’Équation 1.

C = C *
Équation 1

C : Concentration en soluté de la solution, ici la solution est saturée (mg/mL)
C* : Solubilité (mg/mL) .

Différents paramètres peuvent faire varier la solubilité d’une molécule dans un solvant. Il s’agit le plus souvent de la nature du solvant et de la température. Cependant pour des molécules plus complexes, comme les protéines, la solubilité peut dépendre également du pH, de la force ionique de la solution, de la nature des autres ions en solutions, etc. La notion de solubilité, également appelée concentration à saturation, qui vient d’être vue permet de déterminer l’état d’équilibre thermodynamique d’un système cristal/solution. Cependant, il existe des états hors équilibre et l’un d’entre eux est la sursaturation.

Un moyen d’obtenir une solution sursaturée est de dissoudre le soluté dans des conditions permettant d’accroitre C*, par exemple en augmentant la température. Puis en diminuant la température, la solubilité est réduite jusqu’à ce que cette dernière soit inférieure à la concentration de la solution. Une solution sursaturée possède donc un excès de soluté en solution par rapport à l’équilibre thermodynamique cristal/solution. Cet écart à l’équilibre thermodynamique constitue la force motrice de la cristallisation. La cristallisation n’est que la manifestation de ce retour à l’équilibre. Le retour à l’équilibre thermodynamique d’une solution sursaturée passe nécessairement par la cristallisation des molécules de soluté présentes en excès dans la solution. La sursaturation conduit ces molécules à intégrer un cristal de soluté. Elles peuvent soit conduire à la formation de nouveaux cristaux (cet aspect sera développé dans la partie 1.3) soit intégrer un cristal déjà existant. On parle dans ce cas de croissance cristalline puisque le cristal va croître en intégrant de nouvelles molécules via sa surface. Selon la structure chimique de cette surface, il va être plus ou moins facile d’intégrer un nouvel élément dans le cristal. Cela va donc se traduire au niveau macroscopique par une différence dans la vitesse de croissance de chaque face du cristal. Les différentes faces du cristal ne se développant pas à la même vitesse, le cristal prendra un faciès (forme extérieure du cristal) qui dépendra de la vitesse de croissance relative des faces. Le faciès peut être en aiguille très fine, en baguette plus épaisse, en plaquette ou même en cube.

Polymorphisme et phases cristallines 

D’après sa définition, un cristal est caractérisé par une répartition régulière et périodique des atomes qui le composent. Cette périodicité est liée à la façon dont les éléments (atomes ou molécules) qui intègrent le cristal lors de sa croissance vont s’empiler pour former la structure dense du cristal.

Les deux types d’empilement sont en effet des empilements denses, réguliers et périodiques de sphères identiques. Ils répondent donc à la définition que l’on donne du cristal, mais présentent cependant deux structures bien différentes. Dans le cas d’un cristal, un phénomène similaire peut se produire lors de l’empilement des molécules ou des atomes qui le constitue. Chaque type d’empilement caractérisera alors une phase solide appelée polymorphe cristallin. On dira alors que ce solide présente plusieurs polymorphes. Mais le polymorphisme n’est pas la seule possibilité pour un solide d’exister sous différentes phases cristallines. Un cristal peut être formé de plusieurs types de molécules dans des proportions définies. On parle alors selon les cas : d’hydrates si l’une des espèces chimiques est l’eau, de solvates si l’une des espèces chimiques est un solvant organique ou de cocristaux si toutes les espèces sont des solides à température ambiante . Chacun de ces mélanges en quantité définie constitue alors une nouvelle phase cristalline, qui peut à son tour présenter ou non du polymorphisme. Pour un produit chimique donné, il peut exister un grand nombre de phases cristallines différentes.

Chaque phase cristalline possède un arrangement des molécules qui lui est propre, il s’agit donc de solides différents qui possèdent des propriétés physiques différentes. Un exemple bien connu est celui du graphite et du diamant, deux solides composés exclusivement de carbone, mais qui présentent des propriétés physiques différentes: résistance mécanique, conductivité… De la même façon, différentes phases cristallines d’un même produit auront des densités, des solubilités, des faciès ou encore des propriétés optiques différentes suivant la phase cristalline.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : BIBLIOGRAPHIE
1 NOTION DE CRISTALLISATION EN SOLUTION
1.1 GENERALITES
1.2 POLYMORPHISME ET PHASES CRISTALLINES
1.3 NUCLEATION
1.3.1 Nucléation primaire homogène
1.3.2 Nucléation primaire hétérogène
2 MICROFLUIDIQUE
2.1 SYSTEMES MICROFLUIDIQUES DE CRISTALLISATION
2.1.1 Systèmes microfluidiques pour la cristallisation des protéines
2.1.2 Systèmes microfluidiques pour l’étude de la cristallisation
2.2 FABRICATION DE SYSTEMES MICROFLUIDIQUES
2.2.1 Systèmes microfluidiques en verre
2.2.2 Systèmes microfluidiques en PDMS
2.2.3 Systèmes microfluidiques en THV
2.2.4 Systèmes microfluidiques à base de capillaires
CHAPITRE 2 : MATERIELS ET METHODES
1 PRINCIPES ACTIFS ET PREPARATION DES SOLUTIONS
1.1 LE LYSOZYME
1.2 LA CAFEINE
1.3 L’ISONICOTINAMIDE
2 MATERIEL
2.1 L’ALIMENTATION DU SYSTEME MICROFLUIDIQUE EN SOLUTION
2.2 LE CONTROLE DE TEMPERATURE
2.3 L’OBSERVATION DES GOUTTES ET DES CRISTAUX
3 METHODES
3.1 COURBES DE SOLUBILITE
3.2 ENCADREMENT DE SOLUBILITE PAR LA TEMPERATURE
3.3 FREQUENCE DE NUCLEATION
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS
1 ÉTUDE DE LA NUCLEATION EN PHASE AQUEUSE
1.1 LE SYSTEME MICROFLUIDIQUE
1.2 MESURE DE LA LIMITE DE ZONE METASTABLE (LZM) (ARTICLE 1)
1.3 MISE EN EVIDENCE DE DIFFERENTES PHASES CRISTALLINES (ARTICLE 1)
1.4 FREQUENCE DE NUCLEATION PRIMAIRE (ARTICLE 2)
1.4.1 Choix de la température de croissance
1.4.2 Choix des concentrations
1.4.3 Choix des temps de nucléation
1.4.4 Évolution de la fréquence de nucléation
1.5 ARTICLE 1
1.6 ARTICLE 2
2 VERS L’ETUDE DE LA NUCLEATION EN PHASE ORGANIQUE (ARTICLE 3)
2.1 SYSTEME POLYVALENT DE STOCKAGE DES GOUTTES
2.1.1 Méthode de stockage de gouttes dans des capillaires en Téflon
2.1.2 Limite de Zone Métastable
2.1.3 Fréquence de nucléation
2.2 VERS UN SYSTEME MICROFLUIDIQUE UNIVERSEL, COMPATIBLE TOUT SOLVANT ET TOUTE MOLECULE
2.2.1 “Plug factory” à base de capillaire
a) “Plug factory” basée sur l’insertion d’une aiguille dans un capillaire
b) “Plug factory” basée sur les techniques HPLC
c) Choix de l’huile injectée dans la “plug factory”
d) Outil d’injection dans la “plug factory”
2.2.2 Validation de la nouvelle “plug factory”
a) Validation de la formation des gouttes de divers solvants
b) Validation du stockage des gouttes de divers solvants
c) Validation des expériences de cristallisation dans divers solvants
2.2.3 Faisabilité de la mesure de la LZM de la caféine
2.3 ARTICLE 3
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
1 CURRICULUM VITAE
2 CRISTALLISATION DU KDP
3 NANOTECHNOLOGIES DEDIEES AU CONTROLE DE LA NUCLEATION
BIBLIOGRAPHIE

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