L’analyse mDSC de la solution (1) mannitol, montre un seul événement de cristallisation sur la ligne de flux de chaleur non réversible (non reversing heat flow) à -26.5°C avec un pic à -23.6°C puis une fonte du solvant à -2.6°C (Figure 1). Tandis que son analyse en DSC450 montre un événement de cristallisation à -25.3°C avec un pic à -24.2C puis une fonte du solvant à -3°C (Figure 2). Ce qui est tout à fait comparable.

L’analyse mDSC de la solution (2) mannitol/glycine, va révéler plusieurs événements en commençant par l ’onset de la transition de glace de la glycine à -46.3°C ; et donc un changement de mobilité qui va entraîner la cristallisation de la glycine à -43.8°C. La transition de glace du mannitol démarre ensuite vers -34.8°C puis sa cristallisation à -34.1°C. La DSC450 révèle seulement les deux événements de cristallisation à -43.7°C et -33.5°C respectivement, événements presque concomitants aux 2 transitions de glace, les rendant très difficilement observables.

Il existe une troisième possibilité, l’ATD-impédancemétrie (Analyse Thermique-Différentielle et d’impédance). Cette analyse est réalisée sur un Lyotherm, appareil développé par la société Biopharma Process System et le regretté professeur Louis Rey qui a transféré, depuis les années 2000, son activité de lyophilisation au Centre de Ressources Technologiques, Aerial.

L’ATD fonctionne sur le même principe que la DSC mais mesure le différentiel de température au lieu du flux de chaleur. Le Lyotherm permet également de mesurer la valeur d’impédance (Z) ce qui permettra entre autres, d’observer d’autres transitions du produit potentiellement causes de micro-événements tels que des micro- collapses par exemple. C’est pourquoi, nous préférons cette méthode puisque nous en tirerons plus d’informations.

Dans cet exemple on observe sur la ligne d’impédance en rose un début de ramollissement de la matière congelée que la ligne d’ATD en rouge ne nous aurait pas permis d’anticiper. De fait il arrive en effet que l’augmentation de la mobilité du matériau détectée en analyse d’impédance apparaisse à une température significativement inférieure à la détection de la température d’effondrement Tc mesurée par cryomicroscopie comme le montre la table ci-après.

1 à 2μL d’échantillon est déposé sur lame de quartz montée sur un bloc d’argent. On couvre ensuite l’échantillon d’une lamelle de verre au-dessus d’une cale de 70μm comme suit :

L’échantillon est ensuite stabilisé à basse température, généralement -50°C, puis on fait le vide dans la cellule afin de générer de la matière sèche sur le front de sublimation. On augmente alors la température petit à petit jusqu’à entraîner une détérioration du front de sublimation. Cette détection est visuelle, mais il existe maintenant des options logicielles d’analyses d’images qui permettent de déterminer automatiquement la température à partir de laquelle l’altération du front de sublimation apparaît.

Il est possible, depuis l’observation faite en Figure 5, de baisser à nouveau la température de la platine afin de rétablir la structure de l’échantillon congelé pour affiner la lecture de la température d’effondrement et ainsi la déterminer avec plus de précision comme présenté sur la Figure 6.

La cryomicroscopie dédiée à la lyophilisation présente d’autres intérêts. Elle va par exemple permettre de visualiser des micro-effondrements sur des mélanges. Cela peut se passer notamment lors de la fonte eutectique d’éléments cristallins au sein d’une structure amorphe rigide ou inversement, c’est à dire l’écoulement visqueux d’éléments amorphes au sein d’une structure cristalline rigide.

La Figure 7 montre un mix glucose 1%/mannitol 2% où l’on peut voir des zones de micro-effondrements aux alentours de -41°C soit la température proche de la TC approximative du glucose.

On pourra aussi observer les formations de croûtes en surface produit également. Comme dans l’exemple Figure7bis.

Certaines matières peuvent présenter plusieurs températures critiques et coexister naturellement sous forme amorphe et cristalline, elles peuvent être définies dans la littérature comme étant métastables. Le mannitol présente cette caractéristique et si l’on estime, car très difficilement mesurable, sa température de transition de glace Tg’ aux alentours des -32°C, on connaît la température eutectique de sa forme cristalline à -1.4°C. On comprend donc l’intérêt de travailler en lyophilisation avec du mannitol cristallin qui nous permettra d’envisager des températures de travail plus élevées et donc potentiellement une durée de cycle plus courte. Il peut être intéressant dans ce genre de situation d’envisager un “annealing” consistant à :

1) réduire la température sous la Tg’,
2) stabiliser,
3) remonter la température entre la Tg’ et la TE,
4) stabiliser.

L’annealing ainsi réalisé doit permettre de privilégier le traitement thermique du mannitol sous sa forme cristalline.
Si votre cryomicroscope est équipé d’un polarisateur alors la formation de la forme cristalline engendrera un changement de couleur observable. Il est donc possible d’utiliser le cryomicroscope afin d’établir ou non l’intérêt potentiel de réaliser un annealing, et ce à des températures différentes.

Dans l’exemple en figure 8, il s’agit d’une solution de mannitol d’abord congelée puis ramenée à -5°C.