C.6. Stérilisation par radiations électromagnétiques

IV.C.6.a. Rayonnements ionisants

De nombreuses formes de radiations électromagnétiques sont dangereuses pour les micro-organismes. Ceci est particulièrement vrai pour les radiations ionisantes, radiations de longueur d’onde très courte (λ compris entre 10^-8 et 10^-14 m) et à haute énergie. Les rayons X et électrons accélérés, produits artificiellement, et les rayons gamma, émis par des radiosotopes, sont les deux principales formes de radiations ionisantes. L’action bactéricide des rayonnements ionisants a été mise en évidence par Minck, en 1896 au moyen des rayons X découverts un an auparavant par Roentgen [GOULLET D.]. Les rayonnements gamma quant à eux, sont obtenus à partir d’une source cobalt 60, émetteur de deux rayonnements de niveau d’énergie de 1.17 MeV et 1.33 MeV, ou de césium 137 de niveau d’énergie de 0.66 MeV. L’interaction de ces rayonnements s’effectue généralement par rencontre avec les électrons périphériques des atomes présents. L’énergie du photon gamma peut être transmise soit intégralement, soit partiellement à des électrons. Dans ce dernier cas, outre l’électron mobilisé au cours de l’interaction, il subsiste un gamma d’énergie plus faible que le gamma incident. Ce photon suit une trajectoire différente de celle du photon initial, et pourra interagir à un autre endroit du matériau, ou même traverser celui-ci sans autre perturbation.

Des radiations ionisantes en faible quantité produiront des mutations et pourront indirectement provoquer la mort, tandis que les doses élevées sont directement létales.

Quelques bactéries (ex : Micrococcus radiodurans) [MINTON K.W.], et certaines endospores bactériennes peuvent survivre à des doses relativement élevées de radiations ionisantes [PRESCOTT & al.].

Les radiations ionisantes provoquent de nombreux changements dans les cellules ; elles cassent les liaisons hydrogène, oxydent les doubles liaisons, créent des ponts disulfures, détruisent les structures cycliques et polymérisent certaines molécules. L’oxygène augmente l’effet destructeur, en générant des radicaux hydroxyles. La destruction de l’ADN est la cause la plus probable de mortalité.

La dose recommandée par la Pharmacopée française est de 25 kGy (1 rad = 10^-2 Gy).

Pumilus pour laquelle la D₁₀ est de 3.1 kGy. La dose prescrite permet donc de s’assurer en théorie d’une réduction de 10⁸ de la population bactérienne initiale.

Contrairement à une idée répandue, le virus responsable du sida (HIV) est sensible aux rayons gamma.

De manière générale, la radiostérilisation est un procédé fiable et largement exploité sur le marché agroalimentaire. Elle n’utilise pas de gaz toxique ou corrosif, ni de vapeur, ni de chaleur, et permet de traiter des quantités importantes d’objets à la fois. En revanche, elle peut s’avérer très dangereuse pour l’opérateur.

IV.C.6.b. Modification de structure liée à une irradiation gamma

Cependant, les rayonnements gamma bouleversent également la structure du matériau support. La scission de chaînes moléculaires et les effets de cross-linking sur les polymères lors d’une irradiation gamma sont bien connus depuis plus de 30 ans. Chapiro [CHAPIRO A.]

décrit en 1962 les mécanismes de dégradation des polymères résultant de leur oxydation. Le cas du polyéthylène haute densité (PEHD) couramment utilisé pour les implants prothétiques a été largement étudié [SHAW J.H.], [TORNIER A.].

En présence d’oxygène, l’irradiation gamma conduit à la formation de radicaux libres.

L’oxygène étant très réactif sur ces radicaux, des analyses par FTIR ont montré l’apparition de liaisons carbonyles, synonymes d’une oxydation [JAHAN M.S. & al.]. En outre, la scission de chaînes moléculaires et leur oxydation induisent une augmentation de la cristallinité du matériau, et la formation de débris de PEHD peut également générer une dégradation des implants prothétiques, par une usure accélérée.

En l’absence d’oxygène dans l’atmosphère, l’irradiation du PEHD conduit à une réduction du mécanisme d’oxydation. L’industrie a adopté différentes méthodes de traitement par irradiation, en plaçant le PEHD sous vide, dans une atmosphère argon, azotée ou hydrogénée, ce dernier cas étant cependant considéré comme une technique à risque. La mise sous vide ou le traitement sous atmosphère azotée ont l’avantage de favoriser le rattachement des chaînes moléculaires (cross-linking) qui entraîne une amélioration significative de la résistance à

Le problème du conditionnement se pose tout naturellement. Des analyses ont été réalisées sur des cotyles montrant que le stockage à l’air libre, suite à un traitement par irradiation, conduisait à l’augmentation progressive de la cristallinité [LIU A. & al.].

De manière générale, ces tentatives pour réduire l’oxydation du PEHD lors d’une irradiation gamma peuvent à l’inverse réduire notablement l’efficacité du traitement de stérilisation.

Toute modification de l’atmosphère de traitement nécessite une revalidation du procédé.

Des études ont permis de déterminer la dose optimale de rayonnement engendrant une destruction totale des bactéries et réduisant les conséquences sur la dégradation du PEHD [MASRI B. & al.]. Les tests ont été réalisés sur des souches références de Bacillus stearothermophilus, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis et Pseudomonas aeruginosa pour des populations initiales de 10⁴ UFC (Unités Formatrices de Colonies), concentrations plus appropriées aux dispositifs médicaux. Le taux d’oxydation des échantillons exposés aux différents dosages a été déterminé par spectroscopie infrarouge. Au terme de cette analyse, tous les échantillons ont été stérilisés à des doses de rayonnement de 4 kGy, la dose préconisée par la Pharmacopée européenne étant de 25 kGy. La densité, la cristallinité et le niveau d’oxydation sont alors proches de ceux du PEHD non irradié.

Cependant, la validation de la stérilisation à des doses inférieures doit prendre en compte les contraintes industrielles et notamment les effets d’ombre. La diminution de l’intensité d’irradiation réduit également l’effet de cross-linking. Les performances mécaniques sont donc inférieures.

IV.C.6.c. Rayonnement non ionisants

L’inactivation de micro-organismes par l’émission de photons UV est détaillée au paragraphe V.C.1. Le mécanisme principal d’action des UV est la formation de dimères de thymine dans l’ADN. Deux thymines adjacentes dans un brin d’ADN forment deux liaisons covalentes et inhibent la réplication de l’ADN. Cette modification est réparée de plusieurs façons. Dans la photoréactivation, la lumière bleue est utilisée par une enzyme photoréactivante pour cliver directement les dimères de thymine. Un petit fragment contenant le dimère de thymine peut aussi être excisé et remplacé. Ce processus a lieu en l’absence de lumière et est appelé la réactivation à l’obscurité. Lorsque l’exposition aux UV est trop forte,

Même si très peu d’ultraviolets d’une longueur d’onde inférieure à 290-300 nm atteignent la surface terrestre, les ultraviolets de 325 à 400 nm endommagent les micro-organismes. Une exposition aux ultraviolets proches induit la décomposition du tryptophane et les UV eux-mêmes produisent des cassures dans les brins de l’ADN [ZILINSKA R.A., ZIMMERMAN B.K.].

La lumière visible est très favorable car elle est source d’énergie pour la photosynthèse.

Pourtant, même la lumière visible, à une intensité suffisante, altère ou tue des micro-organismes. Généralement, des pigments photosensibilisateurs et du dioxygène sont requis.

Tous les micro-organismes possèdent des pigments comme la chlorophylle, la bactériochlorophylle, les cytochromes et les flavines qui absorbent l’énergie lumineuse, et qui, excités, agissent comme des pigments photosensibilisateurs. Ce photosensibilisateur excité transfère son énergie au dioxygène, générant de l’oxygène singulet (¹O2) [ONLAG J.A., LINN S.] :

P → P(activé)

P(activé) + O2 P + oxygène singulet O2 (¹∆)

L’oxygène singulet est un réactif puissant et un agent oxydant pouvant détruire rapidement une cellule. La plupart des micro-organismes qui vivent à l’air ou sur des surfaces exposées, utilisent des caroténoïdes pour se protéger de la photo-oxydation. Les caroténoïdes absorbent l’énergie de l’oxygène singulet pour ramener l’oxygène à l’état fondamental.

IV.C.6.d. Lumière pulsée

Le principe repose sur l’émission de flashs extrêmement intenses dans le but de détruire une population bactérienne ou virale. L’action bactéricide est liée à la fois à la longueur d’onde des impulsions émises ainsi qu’à leur énergie (0.1 à 3 J/cm²) [DUNN J. and al]. Ce procédé est développé par PurePulse Technologies-San Diego (PureBright system ®).

Le dispositif utilise une lampe à Xénon (λ entre 80 et 146 nm) et les flashs de lumière ont une durée de 10 µs à 0.1 s. Son spectre est 90 000 fois plus intense que celui du soleil à la surface de la terre.

IV.C.7. Faisceau d’électrons

L’efficacité de ce type de procédé est plus limitée. Elle est essentiellement développée aux Etats-Unis sous la dénomination « Sterile Beam 5000 » et permet d’atteindre une décontamination de 10³ à 10⁶. Ce procédé a reçu la certification internationale ISO 11137.