Brevet FR3073418A1 — publié le 20190517

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine générale de la stérilisation d'objets, notamment des instruments et accessoires médicaux, en recourant à un plasma gazeux, et plus particulièrement un plasma froid permettant de traiter des objets thermosensibles ou thermolabiles à des températures inférieures à 60°C. Les objets comme les instruments médicaux peuvent être stérilisés par différentes techniques. On peut, en particulier, citer la stérilisation par autoclave, par chaleur sèche, par emploi de produits chimiques ou encore par irradiation par rayons gammas ou par faisceau d'électrons. Ces technologies présentent un certain nombre d'inconvénients relatifs notamment à la sensibilité thermique et la dégradation des matériaux à cause de trop grandes températures, ainsi qu'au coût financier élevé pour leur mise en oeuvre, à l'inefficacité et, dans certains cas, à la formation de produits toxiques à l'issue de la stérilisation. En effet, l'autoclave est reconnu comme un appareil efficace pour la stérilisation, mais a le désavantage de nécessiter une température trop élevée (en l'occurrence supérieure à 121°C) pour permettre son application à l'égard de matériaux polymères. De plus, à la longue, l'utilisation de l'autoclave cause des dommages irréversibles aux objets en métal et modifie irrémédiablement certaines de leurs propriétés. Afin de pallier ces limitations, des procédés de stérilisation par gaz ionisés, ou communément appelés plasmas gazeux, ont été développés. Ces procédés opèrent à des températures suffisamment basses pour permettre le traitement d'instruments et accessoires faits de matériaux polymères thermosensibles. Ils permettent la destruction de matériel biologique et sont ainsi très utiles pour assurer la stérilité d'outils médicaux et dentaires. Un plasma est obtenu en excitant les particules d'un gaz en le chauffant ou en le soumettant à champ électromagnétique à l'aide d'un 35 laser ou d'un générateur de micro-ondes notamment. Un plasma est constitué d'ions chargés positivement, de particules neutres et d'électrons. 2 On établit parfois une distinction entre plasma et gaz ionisé : le plasma est très chaud et ne contient que des espèces chargées alors que le gaz ionisé, plus froid, comprend, outre les espèces chargées, des particules non chargées sous la forme d'atomes, de radicaux ou de 5 molécules. Les plasmas dits « froids » relèvent plutôt de la catégorie gaz ionisé, mais le terme plus commun de « plasma » ou « plasma froid » sera employé par la suite. Une approche pour répondre à la problématique relative à une stérilisation à basse température a été de considérer les plasmas à basse 10 pression (c'est-à-dire à pression sub-atmosphérique) générés à partir de peroxyde d'hydrogène. Cependant, la très grande complexité et le coût financier élevé pour mettre en oeuvre une telle solution limite fortement son utilisation. De plus, les systèmes à plasma à basse pression génèrent des plasmas présentant des radicaux principalement responsables pour la 15 détoxication et la stérilisation partielle, et présente des effets négatifs sur l'efficacité opérationnelle du procédé. Il est toutefois connu que dans les stérilisateurs par plasma à base de peroxyde d'hydrogène, le plasma n'a pas d'effet biocide, mais sert plutôt comme agent de détoxication en éliminant les résidus nocifs et en 20 limitant l'effet oxydant du peroxyde d'hydrogène et de l'acide peracétique injectés sous forme de vapeur comme agent de stérilisation. On peut donc considérer que ces appareils sont basés sur la stérilisation par plasma, avec cependant la distinction que ladite stérilisation est réalisée grâce à l'addition d'espèces chimiques, et non pas par l'entremise des espèces 25 activées du plasma lui-même. Il est cependant possible d'utiliser des gaz pour former un plasma froid pour la stérilisation qui n'ont pas besoin d'avoir une action stérilisante intrinsèque. Les propriétés stérilisantes résultent dans ce cas du passage du ou des gaz dans un champ électrique créant le plasma, 30 champ fourni par exemple par des micro-ondes. En effet, les particules du plasma froid, qu'elles soient neutres ou chargées, peuvent se trouver dans un état excité par rapport à leur état fondamental, c'est-à-dire dotées d'une énergie interne. Les particules excitées peuvent perdre leur énergie interne, soit spontanément en émettant un photon, soit par collisions avec d'autres particules ou avec une surface d'un objet à stériliser par exemple. Les processus collisionnels 3 peuvent conduire à un échauffement de la surface ou à des réactions chimiques avec elle, comme par exemple l'oxydation, menant à la formation d'un composé volatil liant l'atome (radical, molécule) incident sur la surface et un atome (radical, molécule) de la surface. Les photons 5 peuvent également induire des réactions chimiques en surface. Les photons du domaine des ultraviolets (UV) sont particulièrement efficaces à ce titre puisque leur forte énergie leur permet de casser un grand nombre de liaisons chimiques. Les différentes espèces engendrées par une décharge électrique via le plasma froid sont donc en mesure, dans des 10 conditions opératoires adéquates, d'endommager le matériel cellulaire et donc d'exercer un effet biocide. Pour générer un plasma à partir d'un flux gazeux, on utilise généralement des micro-ondes pour apporter de l'énergie sous forme électromagnétique au flux gazeux et ainsi exciter les particules du gaz. Si 15 les particules sont suffisamment excitées par le champ électromagnétique des microondes, le gaz sera ionisé formant ainsi un plasma avec des ions et des électrons et des particules neutres. Cependant, il est généralement difficile de générer un plasma à basse température à partir d'une interaction avec une faible puissance de 20 microondes. Il est connu du document CA 2 273 432 un dispositif de stérilisation comprenant une source de plasma couplée à une chambre de stérilisation par un tube de décharge dans lequel est injecté un gaz ou un mélange de gaz générant éventuellement le plasma, la source de plasma 25 comprenant un applicateur de champ électrique tel qu'un surfatron ou un surfaguide conflguré pour exciter un gaz neutre avec des microondes pour former le plasma. Il est également connu du document US 2006/006153 un système de génération d'un plasma froid par micro-ondes qui comprend 30 un tube d'acheminement d'un flux gazeux, une cavité à microondes recevant des microondes via un guide d'onde couplé à un générateur de microondes, et une pointe conductrice montée en partie à l'intérieur du tube et en partie à l'intérieur de la cavité à microondes pour générer un faisceau de plasma à pression atmosphérique sous la forme d'un vortex. 35 Il est aussi connu du document US 2006/021581 un système à plasma par microondes comprenant guide d'ondes couplés entre une 4 source de microondes et une cavité à microondes dotée de buses incluant chacune un tube d'acheminement de gaz et un conducteur en forme de tige monté axialement dans ledit tube. 5 Objet et résumé de l'invention L'invention vise à fournir un dispositif de stérilisation par plasma froid permettant de générer un plasma froid par microondes à partir d'une faible dépense énergétique et notamment une faible puissance de microondes. 10 Dans un objet de l'invention, il est proposé un dispositif de stérilisation par plasma froid comprenant une chambre de stérilisation dans laquelle au moins un objet à stériliser est destiné à être présent, une source de gaz conflgurée pour délivrer un flux gazeux, un conduit d'acheminement du flux gazeux comportant une première extrémité 15 débouchant dans la chambre de stérilisation et une seconde extrémité couplée à la source de gaz, et un guide d'onde raccordé à un générateur de micro-ondes et couplé au conduit d'acheminement en amont de la chambre de stérilisation pour délivrer des microondes à l'intérieur du conduit d'acheminement. 20 Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend en outre une source de champ électrique additionnel en amont du couplage du conduit d'acheminement avec le guide d'onde pour ioniser le flux gazeux et initier un plasma à basse énergie. La source de champ électrique additionnel en amont de la zone 25 d'interaction du flux gazeux avec les microondes permet ainsi d'apporter de l'énergie avant que les microondes n'excitent le flux gazeux. Les particules du gaz acheminé dans le conduit sont ainsi déjà un peu excitées ce qui favorise la génération d'un plasma par l'interaction des microondes avec le flux gazeux ainsi pré-excité. 30 Cette pré-excitation des particules du flux gazeux permet de réduire la quantité d'énergie que les microondes doivent apporter pour la création d'un plasma au sein du flux gazeux. Le dimensionnement du générateur de microondes peut ainsi être réduit en terme de puissance, et le dispositif peut fonctionner à faible puissance pour les microondes. On a 35 ainsi une ionisation du gaz à faible puissance. 5 Selon un premier aspect du dispositif de stérilisation, la source de champ électrique additionnel peut comprendre au moins une électrode. Une électrode placée à un potentiel électrique peut générer un champ électrique apte à interagir avec le flux gazeux circulant dans le 5 conduit pour initier la formation d'un plasma. Selon un deuxième aspect du dispositif de stérilisation, ladite au moins une électrode peut être placée à l'extérieur du conduit d'acheminement. En plaçant l'électrode à l'extérieur du conduit d'acheminement, 10 on supprime les interactions physiques directes du plasma généré dans le conduit avec l'électrode ce qui permet ainsi de supprimer le vieillissement et la dégradation de l'électrode par le plasma. Selon un troisième aspect du dispositif de stérilisation, ladite au moins une électrode peut être une électrode en forme de pointe montée 15 sur l'extérieur du conduit d'acheminement. Selon un quatrième aspect du dispositif de stérilisation, la source de champ électrique additionnel peut comprendre une électrode mise à un potentiel électrique non nul, le guide d'onde étant mis à un potentiel électrique nul. 20 La différence de potentiel électrique entre l'électrode et le guide d'onde permet ainsi de générer un champ électrique suffisamment important pour engendrer un plasma dans le flux gazeux transporté dans le conduit, voire même un arc électrique. Selon un cinquième aspect du dispositif de stérilisation, la 25 source de champ électrique additionnel peut comprendre deux électrodes mises à des potentiels électriques différents. Les deux électrodes peuvent être deux électrodes séparées spatialement dans une direction parallèle à celle du flux gazeux, c'est-à-dire une direction parallèle au conduit d'acheminement du flux qu'on peut 30 désigner comme une direction axiale, ou bien deux électrodes séparées spatialement par le conduit d'acheminement dans une direction, dite transversale, orthogonale à la direction de déplacement du flux gazeux. Selon un sixième aspect du dispositif de stérilisation, la source de champ électrique additionnel peut comprendre en outre une unité de 35 commande configurée pour commander la génération d'un champ 6 électrique-additionnel pendant une durée d'amorçage du plasma, ladite durée étant finie et comprise entre 1 et 5 secondes. L'unité de commande du dispositif peut ainsi commander la génération du champ électrique additionnel uniquement lors du lancement 5 du dispositif, c'est-à-dire lorsqu'un plasma doit être amorcé pour une nouvelle stérilisation par exemple. En effet, une fois le plasma amorcé, les microondes injectées en continue par le guide d'onde permettent d'entretenir le plasma. La source de champ électrique additionnel est ainsi utilisée 10 pendant un court laps de temps au démarrage du dispositif pour amorcer le plasma, la quantité d'énergie nécessaire ensuite étant réduite. Selon un septième aspect du dispositif de stérilisation, le dispositif comprend en outre des moyens de détection de la formation d'un plasma comportant une photodiode et une fibre optique, la fibre 15 optique comportant une première extrémité débouchant dans le conduit et une seconde extrémité couplée à la photodiode, la photodiode étant raccordée à l'unité de commande, et l'unité de commande étant configurée pour couper l'alimentation de ladite au moins une électrode à la suite de la détection de la formation d'un plasma. 20 L'utilisation de la fibre optique avec la photodiode permet d'éviter de placer la photodiode directement dans le conduit où se forme un plasma et ainsi d'éviter une dégradation thermique de la photodiode par la chaleur générée par le plasma. Selon un huitième aspect du dispositif de stérilisation, 25 l'électrode peut être disposée à une distance comprise entre 10 et 50 mm du couplage guide d'onde avec le conduit d'acheminement du flux gazeux. Selon un neuvième aspect du dispositif de stérilisation, la chambre de stérilisation comprend une pompe à vide configuré pour réaliser une mise sous vide de la chambre de stérilisation. 30 Le système de pompage permet ainsi d'avoir une pression dans la chambre de stérilisation inférieure à la pression atmosphérique et de réaliser une stérilisation par plasma froid. Brève description des dessins. 35 L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel 7 la figure unique présente un dispositif de stérilisation par plasma froid selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation 5 Sur la figure est représenté un dispositif de stérilisation par plasma froid selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 comprend une chambre de stérilisation 2, des moyens d'alimentation en gaz 3, des moyens de génération d'un plasma froid 4 et des moyens d'assistance à l'amorçage du plasma 5. 10 La chambre de stérilisation 2 comprend une enceinte 6 dotée d'une porte 7 pour pouvoir y introduire le ou les éléments à stériliser et des moyens de pompage 8 pour mettre la chambre de stérilisation sous pression, c'est-à-dire à une pression inférieure à la pression atmosphérique. 15 Les moyens d'alimentation en gaz 3 comprennent un compresseur 9 couplé en sortie à un conduit 10 d'acheminement d'un flux gazeux via un filtre carbone 11. Le filtre carbone, ou filtre à charbon, en amont permet de protéger la membrane des impuretés présentes dans l'air comprimé pour ainsi augmenter sa durée de vie. Le conduit 10 est un 20 tube en céramique, par exemple un tube d'alumine, qui présente ainsi l'avantage d'avoir une bonne tenue thermique et de faibles pertes diélectriques, et d'être transparent vis-à-vis des micro-ondes. Le compresseur 9 aspire en entrée de l'air ambiant et délivre ainsi un flux de d'air comprimé en sortie. La sortie du compresseur 9 est raccordée à un 25 séparateur 12 via une première portion 101 du conduit 10. Le séparateur 12 comprend une première sortie 121 raccordée un orifice d'alimentation 200 de la chambre de stérilisation 2 via une seconde portion 102 de la conduite 10 et une seconde sortie 122 débouchant directement sur l'air ambiant. Le séparateur 12 sépare le 30 diazote, N2, du reste des éléments contenu dans l'air comprimé, et délivre ainsi, via la première sortie 121, un flux de diazote comprimé, les autres éléments étant évacués par la seconde sortie 122. Les moyens de génération d'un plasma froid 4 comprennent un générateur de microondes 13, tel qu'un magnétron, dont la sortie est 35 couplée à un guide d'onde 14, tel qu'un surfaguide par exemple. Le surfaguide 14 est monté sur la seconde portion 102 du conduit 10 8 d'acheminement du flux gazeux, en amont de l'orifice d'alimentation 200 de la chambre de stérilisation 2. Le surfaguide 14 est raccordé sur une partie 103 de la seconde portion 102 du conduit 10 qui est transparente aux microondes pour que 5 les microondes, délivrées par le magnétron 13 et transportées dans le surfaguide 14, puissent interagir avec le flux gazeux circulant dans la seconde portion 102 du conduit 10 et former un plasma. Le plasma est excité à l'intérieur du surfaguide 14 par un champ électromagnétique présentant une fréquence comprise entre 2 et 10 3 MHz, par exemple une fréquence de 2450 MHz. Dans le mode de réalisation illustré, le champ électromagnétique est généré par le magnétron 13 d'une puissance de 950 W bridée à 300 W afin d'éviter une élévation thermique trop importante au niveau de la partie 103 de la seconde portion 102 du conduit 10 dans laquelle circule le plasma. Dans 15 d'autres modes de réalisation, la puissance pourrait ne pas être bridée. Le surfaguide 14 a pour rôle de concentrer un maximum de champ électromagnétique au niveau de la partie 103 du conduit 10 où les interactions avec le flux gazeux ont lieu. Le surfaguide 14 forme ainsi, au niveau du raccordement avec le conduit 10, c'est-à-dire au niveau de la 20 partie 103 du conduit 10, une cavité résonante. Les dimensions de la cavité résonante sont optimisées pour obtenir l'accord sur le plasma d'azote. De préférence, la cavité résonante présente une longueur en millimètres, dans la direction de propagation du flux gazeux, c'est-à-dire dans la direction axiale du conduit 10, définie par 25 l'équation suivante : L(en mm)=40,3+nx86,7 Avec n un entier positif compris entre 2 et l'infini, et la longueur de 86,7 mm correspondant à la demie longueur d'onde guidée. La longueur L peut par exemple être de 560,5 mm. 30 Comme cela est illustré sur la figure, les dimensions de la section du surfaguide 14 au niveau du raccordement 103 avec le tube d'alumine formant la seconde portion 102 du conduit 10 sont réduites de 43,2 mm à 10,5 mm afin d'augmenter le champ électrique dans la zone d'excitation du plasma. En d'autres termes, le surfaguide 14 comprend un 35 étranglement 140 au niveau du raccordement avec la partie 103 de la seconde portion du conduit 10. 9 En travaillant dans la gamme de fréquence des microondes comprise entre 2 et 3 MHz, la totalité de la puissance émise par le magnétron 13 est transférée au plasma, soit une puissance de 300 W pour un volume d'environ 2 cm3 de gaz pour le mode de réalisation illustré sur 5 la figure. Le débit de fonctionnement idéal étant compris entre 1 et 2 litres par minute. La partie 103 du conduit 10 raccordée au surfaguide 14 est séparée de la chambre de stérilisation par une longueur comprise entre 150 mm et 300 mm et de préférence de 206 mm. Cette distance couplée 10 à l'utilisation d'un diffuseur thermique 15 monté sur l'orifice 200 d'alimentation 200 de la chambre de stérilisation 2, c'est-à-dire devant la sortie du jet plasma, permet d'éviter d'avoir un jet avec une température trop élevée focalisée sur les objets à stériliser, c'est-à-dire une température inférieure ou égale à 60°C. 15 Le diffuseur thermique 15 utilisé dans le mode de réalisation illustré sur la figure comprend un tube d'alumine cylindrique présentant un diamètre d'environ 8 mm. D'autres formes géométriques peuvent être utilisées pour le diffuseur thermique. Les microondes seules étant insuffisantes pour ioniser l'azote 20 qui est un gaz non conducteur, il est nécessaire de former un arc électrique en amont du surfaguide 14 à l'aide des moyens d'assistance à l'amorçage du plasma 5. Une fois que le gaz est ionisé, l'impédance du gaz diminue et les microondes peuvent prendre le relais pour entretenir le plasma. 25 Les moyens d'assistance à l'amorçage du plasma 5 comprennent, dans le mode de réalisation illustré sur la figure, une première et une seconde électrodes 16 et 17 en forme de pointes montées sur la seconde portion 102 du conduit 10 en amont de la partie 103 raccordée au surfaguide 14, et une unité de commande 18. La première 30 électrode 16 est disposée en amont de la seconde électrode 17 et les pointes des deux électrodes sont orientées pour être en vis-à-vis, c'est-àdure en regard l'une de l'autre. La seconde électrode 17 est ainsi positionnée entre la première électrode 16 et la partie 103 du conduit 10 raccordée au surfaguide 14 avec la pointe en direction de la première 35 électrode 16, c'est-à-dire vers l'amont, tandis que la pointe de la première électrode 17 est orientée vers l'aval. 10 L'amont et l'aval sont définis par le sens de déplacement du flux gazeux dans le conduit 10. La première et la seconde électrodes 16 et 17, disposées à l'extérieur du conduit 10, sont couplées à l'unité de commande 18 5 configurées pour appliquer une différence de potentiels électriques entre les deux électrodes 16 et 17 pendant une courte durée, par exemple de l'ordre de 1 à 5 secondes, pour amorcer l'ionisation du gaz avant que le plasma ne soit générer entièrement et entretenu par les microondes générées par le magnétron 13. La différence de potentiel électrique est 10 réglée pour générer un champ électrique représenté sur la figure par les pointillés 22 entre les deux électrodes 16 et 17 permettant de former un arc électrique à l'intérieur du conduit 10 lorsque du gaz y circule et ainsi amorcer l'ionisation du gaz circulant dans le conduit 10. Le dispositif 1 comprend en outre des moyens 19 de détection 15 de la formation d'un plasma comportant une photodiode 20 couplée à une fibre optique 21 raccordée à l'unité de commande 18. La photodiode 20 est montée dans la partie 103 de la seconde portion 102 de la conduite 10 raccordée au surfaguide 14. La durée d'activation des deux électrodes 16 et 17 par l'unité de commande 18 dépend de la détection de la formation 20 d'un plasma au sein du conduit 10 par les moyens 19 de détection. Dès que la formation d'un plasma au sein du conduit 10 est détectée par la photodiode 20, l'unité de commande 18 commande l'arrêt de l'application d'une différence de potentiel électrique aux électrodes 16 et 17. La commande relative à l'arrêt du fonctionnement des électrodes 16 et 17 25 peut être instantané à la suite de la réception du signal de la photodiode 20 par l'unité de commande 18, ou bien retardé d'une durée inférieure à une seconde. Dans une variante non représentée, les moyens d'assistance à l'amorçage du plasma 5 peuvent comprendre une unique électrode mise à 30 un potentiel électrique non nul, la différence de potentiels électriques étant générée entre l'électrode et le surfaguide 14 qui est mis à la masse par raccordement à la terre comme pour toutes les parties métalliques du dispositif, le surfaguide formant ainsi la seconde électrode des moyens d'assistance à l'amorçage REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de stérilisation par plasma froid, le dispositif (1) comprenant : - une chambre de stérilisation (2) dans laquelle au moins un objet à stériliser est destiné à être présent, - une source (9) de gaz configurée pour délivrer un flux gazeux, - un conduit (10) d'acheminement d'un flux gazeux 10 comportant une première extrémité débouchant dans la chambre de stérilisation (2) et une seconde extrémité couplée à la source de gaz (9), et - un guide d'onde (14) raccordé à un générateur de micro-ondes (13) et couplé au conduit (10) d'acheminement en amont de la 15 chambre de stérilisation (2) pour délivrer des microondes à l'intérieur du conduit d'acheminement (10), caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend en outre une source de champ électrique additionnel (5) en amont du couplage (103) du conduit d'acheminement (10) avec le guide d'onde (14) pour ioniser le 20 flux gazeux et initier un plasma à basse énergie. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel la source de champ électrique additionnel (5) comprend au moins une électrode (16, 17). 25 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, dans lequel ladite au moins une électrode (16, 17) est placée à l'extérieur du conduit d'acheminement (10). 30 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite au moins une électrode (16, 17) est une électrode en forme de pointe montée sur l'extérieur du conduit d'acheminement (10). 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel 35 la source de champ électrique additionnel (5) comprend une électrode 12 mise à un potentiel électrique non nul, le guide d'onde (14) étant mis à un potentiel électrique nul. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel 5 la source de champ électrique additionnel (5) comprend deux électrodes (16, 17) mises à des potentiels électriques différents. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la source de champ électrique additionnel (5) comprend en outre une unité de commande (18) configurée pour commander la génération d'un champ électrique-additionnel pendant une durée d'amorçage du plasma, ladite durée étant finie et comprise entre 1 et 5 secondes. 8. Dispositif (1) selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens (19) de détection de la formation d'un plasma comportant une photodiode (20) et une fibre optique (21), la fibre optique (21) comportant une première extrémité débouchant dans le conduit (10) et une seconde extrémité couplée à la photodiode (20), la photodiode (20) étant raccordée à l'unité de commande (18), et l'unité de commande (18) étant configurée pour couper l'alimentation de ladite au moins une électrode (16, 17) à la suite de la détection de la formation d'un plasma. 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'électrode (16,17) est disposée à une distance comprise entre 10 mm et 25 50 mm du couplage (103) du guide d'onde (14) avec le conduit d'acheminement du flux gazeux (10). 10. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la chambre de stérilisation (2) comprend une pompe à vide (8) configuré 30 pour réaliser une mise sous vide de la chambre de stérilisation (2).