Development of a system measuring adhesion forces in powder collectives

Abstract

Fine powders commonly have poor flowability and dispersibility due to interparticle adhesion that leads to formation of agglomerates. Knowing about adhesion in particle collectives is indispensable to gain a deeper fundamental understanding of particle behavior in powders. Especially in pharmaceutical industry a control of adhesion forces in powders is mandatory to improve the performance of inhalation products. Typically the size of inhalable particles is in the range of 1 - 5 µm. In this thesis, a new method was developed to measure adhesion forces of particles as an alternative to the established colloidal probe and centrifuge technique, which are both experimentally demanding, time consuming and of limited practical applicability. The new method is based on detachment of individual particles from a surface due to their inertia. The required acceleration in the order of 500 000 g is provided by a Hopkinson bar shock excitation system and measured via laser vibrometry. Particle detachment events are detected on-line by optical video microscopy. Subsequent automated data evaluation allows obtaining a statistical distribution of particle adhesion forces. To validate the new method, adhesion forces for ensembles of single polystyrene and silica microspheres on a polystyrene coated steel surface were measured under ambient conditions. It was possible to investigate more than 150 individual particles in one experiment and obtain adhesion values of particles in a diameter range of 3 - 13 µm. This enables a statistical evaluation while measuring effort and time are considerably lower compared to the established techniques. Measured adhesion forces of smaller particles agreed well with values from colloidal probe measurements and theoretical predictions. However, for the larger particles a stronger increase of adhesion with diameter was observed. This discrepancy might be induced by surface roughness and heterogeneity that influence small and large particles differently. By measuring adhesion forces of corrugated dextran particles with sizes down to 2 µm it was demonstrated that the Hopkinson bar method can be used to characterize more complex sample systems as well. Thus, the new device will be applicable to study a broad variety of different particle-surface combinations on a routine basis, including strongly cohesive powders like pharmaceutical drugs for inhalation.

Feine Pulver weisen im Allgemeinen schlechte Fließ- und Dispergiereigenschaften auf, da sie auf Grund starker Haftkräfte (Adhäsionskräfte) zwischen den Pulver-Partikeln zur Bildung von Agglomeraten neigen. Die Kenntnis über die Adhäsionskräfte in Partikel-Kollektiven ist unverzichtbar um ein tieferes, grundlegendes Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Partikeln und des Partikelverhaltens in Pulvern zu erlangen. Besonders im Bereich der pharmazeutischen Industrie spielt die Kontrolle der Partikel-Adhäsion für die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Inhalationsprodukten, beispielsweise von Trockenpulver-Inhalatoren, eine entscheidende Rolle. Die Größe inhalierbarer Partikel liegt hierbei typischerweise im Bereich 1 - 5 µm. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode zur Messung von Partikel-Adhäsionskräften entwickelt, welche eine Alternative zu den konventionellen Methoden darstellt. Konventionelle, weitverbreitete Methoden sind die Colloidal Probe- und die Zentrifugentechnik, die allerdings beide nicht nur mit großem experimentellen und zeitlichen Aufwand verbunden, sondern auch in ihrer Anwendbarkeit begrenzt sind. Die neu entwickelte Methode basiert auf der Ablösung einzelner Pulver-Partikel von einer Oberfläche auf Grund der Partikel-Massenträgheit. Die hierfür nötige Beschleunigung der Oberfläche, welche in der Größenordnung von 500 000 g liegt, wird von einem Hopkinson-Stab-Stoßerreger erzeugt und mittels Laser-Doppler-Vibrometrie gemessen. Die Partikelablösung wird während des Experiments mit optischer Video-Mikroskopie detektiert. Durch anschließende automatisierte Datenauswertung kann eine statistische Verteilung von Partikel-Adhäsionskräften erhalten werden. Um die neue Methode zu validieren wurden die Adhäsionskräfte von Polystyrol- und Silica-Mikrokugeln auf einer mit Polystyrol beschichteten Stahloberfläche unter Umgebungsbedingungen gemessen. Hier war es möglich, mit einem einzigen Experiment Adhäsionswerte von mehr als 150 einzelnen Partikeln im Größenbereich 3 - 13 µm zu erhalten. Dies erlaubt eine statistische Datenauswertung, während Messaufwand und Messzeit im Vergleich zu den konventionellen Methoden erheblich geringer sind. Die gemessenen Adhäsionkräfte der kleineren Partikel zeigten eine gute Übereinstimmung mit Werten aus Colloidal Probe-Messungen und theoretischen Vorhersagen. Für größere Partikel hingegen wurde ein stärkeres Anwachsen der Adhäsion mit dem Partikeldurchmesser beobachtet. Diese Abweichung könnte durch den Einfluss der Oberflächenrauigkeit und -heterogenität verursacht werden, welche sich auf kleine und große Partikel unterschiedlich auswirken. Durch Messung der Adhäsionskräfte von Dextran-Partikeln mit gewellter Morphologie und Größen bis minimal 2 µm konnte gezeigt werden, dass die Hopkinson-Stab-Methode ebenfalls zur Charakterisierung komplexerer Probensysteme geeignet ist. Die neue Apparatur bietet daher die Möglichkeit, eine große Vielzahl unterschiedlicher Partikel-Oberflächen-Kombinationen routinemäßig zu untersuchen. Dies schließt auch stark kohäsive Pulver mit ein, wie beispielsweise Inhalationspulver, die in der pharmazeutischen Industrie zur Behandlung von Atemwegserkrankungen zum Einsatz kommen.