Los departamentos de marketing de las empresas del sector farmacéutico han aumentado su foco de atención en asegurarse de que el packaging de sus medicamentos es el adecuado

La curva de flujo de viscosidad lo dice todo

Redacción Interempresas23/04/2014
La caracterización del comportamiento de flujo de un material implica testear en un rango de gradiente de velocidad relevante en cuanto a cómo se procesa este y como es usado por el consumidor. Los ungüentos por ejemplo se usan para recubrir partes del cuerpo como piel, labios, dedos, uñas, pelo, globo del ojo, etc. El medicamento debe de extenderse adecuadamente cuando se frota sobre la piel. Por lo tanto un test de viscosidad relevante debería de usar gradientes de velocidad que reproducen los que se generan cuando se aplica un ungüento sobre la piel.
Exprimir el ungüento fuera del tubo es otro comportamiento de flujo que debería de testearse para obtener un rendimiento adecuado. Todos conocemos el caso donde no hay manera de exprimir el contenido apretemos como apretemos. Esta medición de comportamiento de flujo es conocida como “yield stress” (límite de fluencia) y cuantifica la fuerza requerida para iniciar el flujo del material fuera del tubo.

Es de señalar que últimamente los departamentos de marketing de las empresas del sector farmacéutico han aumentado su foco de atención en asegurarse de que el packaging de sus medicamentos es el adecuado. Esto implica unos tubos que se abren fácilmente y expelen una cantidad adecuada de producto en acorde con lo fijado por el médico.

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Figura 1: Reómetro Brookfield R/S con geometría Cono & Placa. 

La Figura 1 muestra un reómetro cono & placa que se usa habitualmente para caracterizar el comportamiento de flujo de los ungüentos. El material para testear se coloca sobre la placa lisa de metal y el cono se coloca por encima en un movimiento descendente y provocando un esparcimiento del mismo. Cierta cantidad de material fluye fuera de la circunferencia del cono y quizá más allá si hay exceso de material. El material en exceso se quita y el instrumento está listo para ensayar.
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Figura 2: Ecuaciones para la Fuerza de Cizalla (Shear Stress) y la Velocidad de Cizalla (Shear Rate).

Los husillos en forma de cono parecen planos a simple vista, pero forman un ángulo de 1º o más relativamente al plano horizontal. Precisamente porque es una geometría conocida y existe un “gap” (separación) también conocido entre la placa y la superficie rotatoria del husillo, se pueden calcular el gradiente de velocidad y la fuerza de cizalla usando las fórmulas de la Figura 2.

Se puede calcular el yield stress usando dos métodos distintos. El primero consiste en aumentar progresivamente el par de torsión aplicado al cono hasta el punto en que empieza el movimiento dentro del material. El par al que la rotación empieza se llama “yield stress”. El segundo consiste en realizar una rampa de gradiente de velocidad de las velocidades más bajas disponibles hasta unas más altas, y luego aplicar un modelo matemático que mejor se adecue en los datos Fuerza de cizalla vs Gradiente de velocidad. El punto de intersección entre el eje (YY´) y la curva del modelo matemático es por definición el yield stress ya que no hay movimiento a este gradiente de velocidad. Los valores de yield stress se pueden luego correlacionar con la fuerza necesaria que ejerce la mano para exprimir el material del tubo.

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Figura 3: Gráfico de datos de Yield Stress usando el modelo matemático de Ostwald.

La Figura 3 muestra datos gráficos de yield stress usando el segundo método. El modelo matemático usado para evaluar los datos se denomina “Ostwald”. El valor de yield stress para este ungüento está alrededor de los 350 Pascales.

Se generan curvas de flujo de viscosidad testeando el ungüento sobre ciertos rangos de gradientes de velocidad. Habitualmente los ungüentos muestran viscosidades muy altas a gradientes de velocidad bajos y viscosidades que van disminuyendo a medida que se incrementa el gradiente de velocidad. Este comportamiento reológico es conocido como “Pseudoplástico”. La Figura 4 muestra una curva de flujo de viscosidad de un ungüento disponible en el mercado real.

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Figura 4: Gráfico de datos de viscosidad de una rampa de gradiente de velocidad (Shear Rate).

El realizar luego la rampa atrás aporta más información sobre el comportamiento reológico del material en función del tiempo, cuando este está sometido a un gradiente de velocidad. La separación entre la curva de ida y la de vuelta es conocida como área de tixotropía. La Figura 5 muestra esta propiedad.
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Figura 5: Gráfico de datos utilizados para calcular la Tixotropía del ungüento. 

Los reómetros de fuerza controlada, como el mostrado en la Figura 1 proporcionan una ventaja a la hora de realizar estos tests, pues son capaces de trabajar en modo de fuerza controlada o en modo de gradiente de velocidad controlado. El modo de fuerza controlada es especialmente interesante a la hora de medir materiales de muy alta viscosidad porque el par aplicado al husillo se incrementa gradualmente hasta que empieza el movimiento en el seno del material. Este método es el preferido a la hora de determinar la potencia inicial necesaria de una bomba para mover el material. Si tuviera la oportunidad de considerar este tipo de instrumento para su laboratorio, estaría impresionado no solo con los datos, sino también con la velocidad y la eficiencia con la que el instrumento de fuerza controlada completa el test.

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