Surfaces de verre performantes et durables pour la pharmacie – HEALTHYGLASS

L'amélioration de la résistance hydrolytique du verre est induite par le remplacement partiel des anions O par des anions N, produisant des revêtements d'oxynitrure de silicium amorphe (SiOxNy) plus denses qui répondent aux exigences dictées par les applications pharmaceutiques. Le dépôt de revêtements SiOxNy sur des surfaces complexes, avec des vitesses élevées, à pression atmosphérique et à des températures modérées (< 570°C) n’a jamais été réalisé. Nous utilisons de nouvelles chimies réactives, basées sur des combinaisons à un ou deux précurseurs et produisons des films SiOxNy avec des teneurs en N modulables et à des températures compatibles avec les flacons en verre. L'évolution résultante du réseau silicaté est largement étudiée à travers des protocoles de caractérisation physico-chimique, structurale et mécanique. Une approche multidisciplinaire est adoptée, combinant la science des matériaux, la chimie analytique et le génie des procédés d'une manière qui implique le développement simultané de films barrières résistants par le biais d'expériences CVD, ainsi que l'analyse de la phase gazeuse réactive, le développement de modèles cinétiques et la simulation numérique du procédé de dépôt. L’investigation à la fois à l’échelle locale du réseau d’atomes et à l’échelle macroscopique des revêtements est mise à profit dans l’analyse et la compréhension fine des mécanismes. Les informations expérimentales obtenues grâce à cette approche sont utilisées afin d'enrichir les modèles cinétiques de la littérature et définir des mécanismes de dépôt complètement nouveaux. Les calculs de dynamique des fluides numériques (CFD) sont utilisés pour comprendre les particularités de la formation de films dans des espaces confinés et des pièces 3D complexes, obtenir des prédictions en termes de composition des phases gazeuse et solide, ainsi qu'explorer des solutions pour l'optimisation des procédés de dépôt.

Les revêtements CVD SiO2 issus d'une chimie TEOS-O2/O3 sont déposés à une température compatible avec le verre. Un modèle cinétique fournit des informations sur les mécanismes et identifie des conditions de dépôt optimisées. Cependant, ces revêtements ne satisfont pas les tests de corrosion aqueuse, ce qui justifie l’étude d’autres voies de dépôt en vue de densifier le réseau avec l’incorporation d’azote. Les dépôts réalisés avec une chimie HMDS-TEOS-O2/O3 ne comportent pas de N, mais du C, provenant de la décomposition incomplète du précurseur HMDS, ce qui réduit la résistance à la corrosion des films. Des films SiOxNy sont produits à partir de la chimie originale TDMSA-O2, mais à une température un légèrement supérieure à celle visée. La corrélation entre le niveau d'incorporation de N et la densification du réseau est établie. Les films à 7 at.% N ne sont pratiquement pas affectés par les tests de corrosion. Une densification supplémentaire est induite par l'augmentation de la température de dépôt, qui améliore l'incorporation de N et diminue la concentration d'espèces hydratées dans le réseau. Un modèle cinétique apparent est développé pour ce dépôt de SiOxNy grâce à une méthodologie originale combinant des analyses complètes des dépôts par ellipsométrie et des techniques nucléaires, de la phase gazeuse et des simulations numériques du procédé par un code de mécanique des fluides numérique (CFD). Il permet d'estimer les profils locaux de vitesse de dépôt et de composition du revêtement sur substrats plans et dans des corps creux. Un nouveau dérivé de la trisilylamine, TSAR, plus réactif, développé et fourni par Air Liquide est efficace pour la CVD de SiOxNy à des températures aussi basses que 520°C, compatibles avec le verre pharmaceutique. Ces dépôts assurent une excellente résistance à la corrosion. La CVD des revêtements barrières SiOxNy à partir de TSAR apparait être une alternative unique pour la protection hydrolytique de flacons pharmaceutiques.

De nombreuses questions scientifiques soulevées par l'exploration d'au moins quatre chimies de dépôt pour le dépôt des films SiO2 et SiOxNy restent à explorer. L’étude des mécanismes de corrosion aqueuse du verre pharmaceutique et des revêtements appliqués en fait partie.
Les films SiOxNy produits à partir de TSAR-O2 démontrent une incorporation efficace d'azote à des températures compatibles avec le verre pharmaceutique de type I et d'autres substrats thermosensibles. Ainsi, il est d'un grand intérêt d'évaluer leur résistance hydrolytique lors des tests de pharmacopée USP < 660> et <1660>. Le dépôt sur flacons a été finalisé et les tests USP sont en cours, dans le but de répondre pleinement à l'objectif principal du projet ANR. Les résultats préliminaires sont conformes aux attentes. Les vitesses de dépôt élevés constatées à partir de cette chimie la rendent également attractive pour une mise en œuvre industrielle. La mise au point d’un modèle cinétique implémenté dans un code de simulation numérique du procédé faciliterait son implémentation à plus grande échelle ou sur d’autres types de substrats.
Des valorisations complémentaires du procédé CVD TSAR-O2 pour l’élaboration de films SiOxNy sont envisagées.
Par ailleurs, les voies de dépôt mises au point à partir de TEOS, TEOS/HMDS, TDMSA et TSAR pourraient être appliquées à d’autres domaines industriels, notamment les énergies nouvelles.
Les quatre chimies mises en œuvre ouvrent aussi de nouvelles perspectives d’applications de films simples ou multicouches en optoélectronique à base de Si monolithique et en matière de dépollution sélective, en actionnant les propriétés de rétention liées à certaines affinités chimiques (métaux lourds, perturbateurs endocriniens).

• K. C. Topka et al. Large temperature range model for the atmospheric pressure chemical vapor deposition of silicon dioxide films on thermosensitive substrates. Chemical Engineering Research and Design, 2020, 161, 146-158.
• B. Diallo et al. Network hydration, ordering and composition interplay of chemical vapor deposited amorphous silica films from tetraethyl orthosilicate. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 13, 534-547.
• K. C. Topka et al. Tunable SiO2 to SiOxCyH films by ozone assisted chemical vapor deposition from tetraethylorthosilicate and hexamethyldisilazane mixtures. Surface and Coatings Technology, 2021, 407, 126762.
• L. Decosterd et al. An innovative GC-MS, NMR and ESR combined gas phase investigation during chemical vapor deposition of silicon oxynitrides films from tris(dimethylsilyl)amine. Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, 23, 10560–10572.
• M. Puyo et al. Beyond surface nanoindentation: combining static and dynamic nanoindentation to assess intrinsic mechanical properties of CVD amorphous silicon oxide (SiOx) and silicon oxycarbide (SiOxCy) thin films. Thin Solid Films, 2021, 735, 138844.
• K. C. Topka et al. An innovative kinetic model allows insight in the moderate temperature chemical vapor deposition of silicon oxynitride films from tris(dimethylsilyl)amine. Chemical Engineering Journal, Volume 431, Part 3, 1 March 2022, 133350.
• K. C. Topka et al. Critical level of nitrogen incorporation in silicon oxynitride films: transition of morphology, structure and corrosion performance. à soumettre en février 2022.

HEALTHYGLASS permettra de mettre au point des voies de dépôt innovantes, d’oxyde (SiO2), d’oxynitrures (SiOxNy) et d’oxycarbures (SiOxCy) de silicium amorphes, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) thermique à l’intérieur de flacons pharmaceutiques, et définira leur composition et leurs caractéristiques structurales appropriées pour constituer de barrières efficaces et durables.
La fonction de ces revêtements est de limiter l’interaction entre le médicament stocké et le verre du flacon, et permettre ainsi à des nouvelles substances pharmaceutiques, notamment en oncologie, sensibles ou agressives vis-à-vis du verre, d’être mises sur le marché. L’innovation générée par le projet en termes de solutions matériaux et voies de dépôt, permettra ainsi de proposer aux laboratoires pharmaceutiques des flacons «high tech» très résistants chimiquement, dont le revêtement interne pourra être adapté aux caractéristiques des médicaments à stocker.
Très peu d’informations sont disponibles dans la littérature concernant les dépôts de SiO2, SiOxNy et SiOxCy dans le contexte des contraintes induites par le projet, à savoir des films denses et chimiquement inertes, déposés à température modérée (<570°C) et à pression atmosphérique, sur des surfaces confinées et à des vitesses de dépôt élevées. L’équipe projet a récemment mis au point le dépôt à l’intérieur des flacons de couches de SiO2 à partir de mélanges tetraethylorthosilicate (TEOS) et oxygène. Cependant, celles-ci ont révélé une résistance à la corrosion non satisfaisante à l’issue des tests sévères, recommandés par la Pharmacopée Américaine. Dans le cadre du projet, les revêtements SiO2, SiOxNy et SiOxCy seront déposés à partir de systèmes chimiques à base de TEOS et d’ozone O3, avec l’addition de composés réactifs, sources d’azote et de carbone, impliquant des mécanismes chimiques radicalaires. Le dépôt de SiO2 sera étudié en tant que point de départ pour focaliser le projet sur les dépôts de SiOxNy et SiOxCy, qui présentent des propriétés barrière élevées, dues à la densification induite par le remplacement partiel des anions O divalents par ceux N ou C de plus haute coordinence.
Des protocoles élaborés de caractérisations physico-chimiques, structurales et mécaniques, incluant microscopie, ellipsométrie, spectroscopies nucléaires et vibrationnelles, sonde atomique tomographique et tests nanomécaniques permettront d’obtenir des informations sur ces systèmes complexes, incluant leur partie superficielle et leur interface avec le substrat de verre. Des expériences RMN du solide couplées avec des analyses XPS et µ-FTIR permettront de quantifier la connectivité du réseau silicaté, le désordre structural et la distorsion des environnements Si, ainsi que la distribution des espèces oxynitrures et oxycarbures. La RMN haute résolution du proton, ainsi que des expériences de type DNP révèleront les espèces hydratées présentes sur ou près de la surface.
La résistance hydrolytique et la durabilité des revêtements seront évaluées par des cycles de stérilisation préconisés par les Pharmacopées Européenne et US. Des conditions plus sévères (i.e. vieillissement sur plusieurs semaines, avec des solutions à pH basique et acide) seront appliquées aux revêtements les plus prometteurs. Les mécanismes de relargage et de corrosion seront étudiés et les corrélations entre paramètres de dépôt, caractéristiques physico-chimiques et propriétés barrières seront établies.
Le projet permettra d’établir des corrélations procédé/structure/propriétés/performance qui conduiront à des avancées marquantes au plan fondamental et qui ouvriront la possibilité d’appliquer ces matériaux multifonctionnels et durables à d’autres secteurs d’application concernés par des surfaces complexes, tels que la micro-nano-électronique, la plasturgie, les dispositifs et implants médicaux, les capteurs de gaz.