DS0413 - Technologies pour la santé

Développement de solutions piézoélectriques pour la génération de plasmas froids à applications biomédicales – PIEZOBIO

Développement de solutions piézoélectriques pour la génération de plasmas froids à applications biomédicales

Explorer une alternative à la solution chimique pour la décontamination/stérilisation des équipements médicaux thermosensibles à grand rapport de forme,

Faciliter l'étape de déocntamination des équipements médicaux

L’objectif principal du projet consiste à étudier et développer l’utilisation des matériaux piézoélectriques pour la génération de décharges plasmas froids à des fins de décontamination d’équipements médicaux. Cette méthode de génération, si elle s'avérait performante, permettrait de s'affranchir de systèmes d'alimentation haute-tension, tout en tirant bénéfice des capacités d'intégration de ces matériaux piézoélectriques. <br />Bien qu’il existe une multitude de solutions basées sur l’emploi de solutions chimiques ou nécessitant des conditions d’emploi contraignantes (type enceinte), il existe un réel besoin de solutions facilement manipulables, mais également capables de traiter des éléments sensibles ou fragiles tels que des polymères ou encore alimentaires. La démocratisation et l’expansion des moyens endoscopiques pour le diagnostic et thérapeutiques s’accompagnent nécessairement de ces préoccupations de décontamination/stérilisation. En outre, chaque minute sauvée pendant l'étape de décontamination augmente la disponibilité de ces équipements de diagnostic vitaux. Par conséquent, la solution développée devra être aussi efficace et rapide que possible.

Ce développement global passe par le franchissement d’un ensemble de verrous techniques et technologiques, chacun porté par l’un des partenaires. Chaque verrou est donc un objectif à atteindre au cours du projet.
- Le design de l’élément piézoélectrique : les performances électriques sont essentiellement assurées par un design approprié de la céramique piézoélectrique. Il s’agit donc de définir les critères dimensionnant et d’élaborer une méthode rigoureuse pour aboutir au design optimal.
- La réalisation : suivant la complexité du design défini, la synthèse du matériau et la fabrication de la céramique piézoélectrique constitue un challenge technique.
- L’alimentation : L’étage d’alimentation électrique de l’élément piézoélectrique constitue une part importante du fonctionnement, que ce soit pour assurer les performances bactéricides ou la préservation de l’intégrité du générateur plasma.
- Le traitement de surface : face à l’incertitude des effets du plasma produit à la surface de la céramique, il est nécessaire d’envisager des solutions de dépôts
- La validation bactéricide : il s’agit de la finalité du projet, à savoir évaluer les capacités bactéricides du plasma froid généré à partir de cette méthode de génération plasma.

Sur la période des 18 premiers mois du projet, chaque partenaire a confirmé les verrous tombant sous son expertise et identifier de nouvelles difficultés. Cette phase a pu se faire en s’appuyant sur deux équipements : un premier issu d’un équipement commercial détourné de son usage initial, et le second étant un prototype réalisé pendant le projet.

Résultats par partenaire :
- Le LMCPA a entamé et a abouti à la conception de plusieurs pré-prototypes de céramiques piézoélectriques de géométries diverses, afin de démontrer la maitrise technique. Appropriation des étapes d’élaboration de poudres ferroélectriques dites « dures », de frittage, d’usinage et de polarisation.

- SINAPTEC a débuté par l’étude technique du générateur commercial. Cette étude s’est avérée pertinente pour vérifier les besoins de pilotage électrique. SINAPTEC a ensuite abordé le pilotage du prototype de laboratoire à partir de son équipement NEXTGEN, qui facilite l’exploration des modes de pilotage variés.

- Les laboratoires ANIOS ont appliqué une procédure standardisée pour qualifier l’effet bactéricide d’un générateur plasma piézoélectrique. Ces essais, tout d’abord menés, avec l’équipement commercial, ont révélé des performances médiocres. En revanche, une seconde campagne d’essais avec le prototype du LAPLACE a souligné des performances très encourageantes, atteignant dans les meilleurs cas les limites de détection.

- Le CIRIMAT a élaboré un protocole de caractérisation ainsi qu’une « carte d’identité » du transformateur piézoélectrique à l’état de référence basés sur sa composition chimique, sa morphologie granulaire, sa structure cristalline ou encore son état de polarisation.

- Le LAPLACE a fabriqué de nombreux exemplaires du prototype d’essais préliminaires afin d’équiper les partenaires. Il a également entamé l’étude théorique sous forme analytique et numérique, afin de construire les outils nécessaires à la définition du design optimal des prototypes de seconde génération.

Les problèmes de décontamination et de désinfection sont une préoccupation majeure dans de nombreux secteurs d’activités aussi bien médical, pharmaceutique qu'alimentaire.
Pour l'heure le projet s'attèle à démontrer les capacités de la technologie piézoélectrique à répondre aux exigences de la décontamination pour le milieu médical.
A la lumière des résultats, il s'agira ensuite de favoriser le processus de décontamination, puis de le rendre applicable à un objectif spécifique. Suivant les applications finales possibles, la mise en œuvre de la technologie piézoélectrique pourrait prendre des configurations très diverses qui ne pourraient pas être développées dans le projet actuel. C'est pourquoi une prestation d’accompagnement du GIE Eurasanté a été programmée afin d'étudier les perspectives applicatives, dans les filières santé, nutrition, biologie, que ce soit dans le nord de la France au niveau national et européen.

Après 18 mois de déroulement du projet, les publications et communications scientifiques sur les résultats intermédiaires du projet sont soit en cours de rédaction, soit de soumission. Des actions de communication grand public ont été menées par le LAPLACE:

- participation de Jordan Stekke à «ma thèse en 180 secondes«, edition 2017
- participation à «un café avec un jeune chercheur ?«, le 30 mai 2017. conférence grand public au «quai des savoirs«, Toulouse.

Ce projet a pour objectif l’étude et le développement d’une solution technologique faisant appel aux matériaux piézoélectriques pour la génération de décharges plasmas à pression réduite ou atmosphérique. La réalisation envisagée s’attèle à répondre aux besoins spécifiques de décontamination du matériel médical et plus particulièrement le matériel à corps creux tels que les endoscopes ou cathéters.
Le domaine biomédical s’intéresse activement depuis plusieurs décennies aux plasmas froids en raison de ses propriétés non-thermiques et réactives qui leur permettent d’interagir à la fois avec des tissus vivants, des cellules et des bactéries. Le plasma froid est une solution efficace, indolore dans le cas des traitements directs des cibles médicales et également utilisée pour le traitement de surfaces sans en dégrader les caractéristiques essentielles. Ainsi, le plasma froid peut être appliqué à la décontamination de haut niveau, notamment des matériaux thermosensibles, permettant de se substituer à l’usage de certains produits toxiques tout en limitant les manipulations superflues.

En dépit des preuves d’efficacité de la technologie plasma pour le traitement de décontamination/stérilisation et les nombreux travaux académiques consacrés à la compréhension et à l’amélioration du processus, les solutions industrielles peinent à voir le jour. A l’heure actuelle, il n’existe réellement qu’un seul équipement industriel faisant intervenir des décharges plasmas au cours du processus de stérilisation.
Si des études se consacrent effectivement à la dimension électrique des générateurs, leur architecture comme voie d’amélioration est peu traitée, notamment pour les dispositifs de petite taille (à usage manuel ou de type endoscopique). Les besoins de fortes tensions, d’intégration, de fortes densités électroniques, associés à des contraintes opérationnelles inhérentes au milieu médical peuvent restreindre les techniques conventionnelles de génération.
Devant ces contraintes techniques et face à la demande de solutions spécifiques au traitement des systèmes endoscopiques, la génération de décharges plasmas par effet piézoélectrique constitue une alternative technologique tout à fait séduisante et originale. Les caractéristiques propres de cette solution telles que la basse tension d’alimentation, son comportement diélectrique, la capacité de miniaturisation, ou encore la commandabilité, la prédisposent favorablement au domaine visé. L’aptitude à la génération de ces matériaux piézoélectriques est connue depuis longtemps et mise à profit dans des systèmes d’allumage élémentaires (allume-gaz). Il s’agit à présent de tirer profit de cette technologie pour maintenir un gaz environnant dans un état de plasma froid aux propriétés biocides.
Les études technologiques préliminaires menées ces dernières années au sein du laboratoire porteur du projet ont permis de souligner deux points techniques majeurs : le design des transformateurs piézoélectriques et leur stratégie d’alimentation. Ces deux aspects constituent les cœurs de cible académique de ce projet collaboratif auquel il faudra associer la vérification des performances biocides.

Associés aux partenaires industriels Anios et Sinaptec, ce consortium a pour ambition d’engager le développement d’une solution pour s’affranchir des limites courantes lorsqu’il s’agit de la décontamination de matériels thermosensibles, à corps creux, débouchant ou non. Il s’agit à proprement parler des systèmes endoscopiques dont les avantages de diagnostic et thérapeutique ne peuvent souffrir de risques de contamination nosocomiale.
Le développement pratique du projet sera également guidé par la réalité du terrain hospitalier, de sorte qu’il faille aboutir à une solution de traitement rapide et efficace, facilement utilisable pour les applications cliniques et biomédicales, accessible à tous et libre d’utilisation, contrairement à des solutions existantes légalement contraignantes.

Coordinateur du projet

Monsieur Francois Pigache (Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UVHC - LMCPA Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis - Laboratoire des matériaux céramiques et procédés associés
LABORATOIRES ANIOS
SINAPTEC
LAPLACE Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie
CIRIMAT Centre Inter-Universitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux

Aide de l'ANR 465 869 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 36 Mois

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