La compatibilité des matériaux avec les techniques industrielles de stérilisation

Sophie ROUIF Responsable Recherche & Développement chez IONISOS info@ionisos.fr

 

Il existe plusieurs méthodes de stérilisation des dispositifs médicaux. Les plus courantes sont la vapeur (ou autoclave), les rayonnements ionisants et l’oxyde d’éthylène.

Parmi ces techniques, deux sont utilisées à échelle industrielle et permettent le traitement de produits sans déconditionnement et en grandes séries : les rayonnements ionisants et l’oxyde d’éthylène. Avec ces technologies, les produits sont traités par cartons ou par palettes complètes.

Les modes d’action des rayonnements et de l’oxyde d’éthylène induisent des modifications chimiques des molécules biologiques et altèrent ainsi le métabolisme microbien, entraînant la destruction des organismes contaminants (bactéries, levures moisissures …). Ces modifications chimiques ne sont, au premier abord, pas forcément spécifiques aux molécules biologiques, et des réactions secondaires sur les matériaux constituant les dispositifs médicaux ne sont pas exclues. Les métaux ne posent pas de problème de compatibilité avec les technologies de stérilisation.

Par contre, les plastiques peuvent être exposés aux effets secondaires. Or ils n’ont pas cessé de s’imposer dans des applications médicales. La connaissance de grandes tendances et le réflexe de questionner les fournisseurs permettent de choisir des matériaux adaptés dès l’ébauche d’un nouveau développement.

 

Les effets des rayonnements ionisants sont une balance entre des ruptures et des ré-arrangements moléculaires, comme la réticulation ou les cyclisations. Il n’existe pas de règle générale de leurs comportements, mais des tendances peuvent être dégagées en considérant la structure du polymère et les conditions d’irradiation.

Dans la structure des polymères, ce sont les liaisons chimiques les plus sensibles qui vont être touchées en priorité. Cela correspond principalement aux polymères porteurs d’halogènes (fluor, chlore), tels que le polychlorure de vinyle (PVC) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE), et aux polymères portant des atomes de carbones quaternaires (substitués par quatre groupements différents), comme le caoutchouc butyle ou le polypropylène (PP).

Les réactions de radiolyse et la dégradation sont fortement favorisées par la présence d’oxygène, moins par la température, et très peu par le débit de dose. Le traitement par rayons gamma qui se caractérise par un débit de dose plus faible (par rapport aux électrons accélérés) engendre parfois la dégradation par oxydation du polymère à la surface.

Mais la dose est le principal facteur d’influence. La dose est la quantité d’énergie reçue par kilogramme de matière, son unité est le kiloGray (1 kGy = 1 kJ / kg). La plupart des polymères vont résister à des doses de stérilisation de l’ordre de 25 kGy à 75 kGy, en revanche ils vont se dégrader au-delà. C’est le cas du PP, du PVC et de la cellulose. Le PTFE et le caoutchouc butyle se dégradent à faible dose, et le POM à partir de 25 kGy.

Le tableau ci-dessous indique le comportement sous rayonnements ionisants, pour des doses de stérilisation (entre 25 kGy et 70 kGy), de polymères couramment utilisés (liste non exhaustive).

 

	RESISTANTS	Attention  particulière	DEGRADATION
Polyoléfines	PS, PE	PP, PVC
Thermoplastiques techniques	EVA, EVOH, ABS, ABS/PC PA 6, PA 66 PET, PBT	POM PMMA PC
Thermoplastiques hautes performances	UHMWPE, PA46, PA11, PA12 PPA, PAA PPS, PPO PSU, PPSU PI, PAI, PEI PEEK LCP	PVDF, CTFE	PTFE
Thermoplastiques élastomères (TPE)	SBS, SEBS	PP/EPDM PEBA TPU COPE (copolymère éther – ester)
Elastomères	NR, NBR, HNBR, SBR	Caoutchouc butyle, chlorobutyle, Néoprène, EPDM, EPR
Elastomères hautes performances	Fluoroélastomères, Fluorosilicones	Silicones, AEM/ACM

A l’exception des quelques polymères cités qui perdent leurs caractéristiques mécaniques, le risque principal de modification des plastiques stérilisés par les rayonnements ionisants est le jaunissement. Celui-ci découle de la formation de doubles liaisons, consécutives à des coupures de chaînes, suffisantes pour émettre dans le visible, mais généralement insuffisantes pour influer les propriétés mécaniques. Le jaunissement est d’autant plus important que la dose est élevée.

Généralement, il est réversible : il s’atténue en grande partie dans les quelques semaines qui suivent le traitement.

 

Cette technique utilise un gaz stérilisant, qui se caractérise aussi par une grande diffusivité et perméabilité, associé à des conditions favorisant ces deux facteurs : les produits sont mis en contact avec l’ETO sous conditions contrôlées de température, d’humidité, de pression et de durée d’exposition.

Elle est souvent utilisée pour traiter les produits sensibles aux rayonnements et à la vapeur.

La stérilisation s’opère par des réactions d’alkylation des extrémités des chaînes des enzymes et des chaînes d’ADN et d’ARN. Ce sont les fonctions –OH, -COOH, -SH et –NH qui réagissent avec le radical – CH₂ – CH₂ – OH de l’ETO, altérant ainsi le métabolisme microbien.

Les structures chimiques des plastiques (à l’exception des polymères cellulosiques) sont peu riches en fonctions pouvant réagir par alkylation avec l’ETO. On peut en trouver aux extrémités de chaînes polymères, mais celles-ci sont souvent bloquées par des amorceurs ou des additifs de polymérisation. Ce sont donc les molécules et macromolécules biologiques qui sont les plus sensibles à l’ETO. Par conséquent, les réactions secondaires sur les matières plastiques sont assez limitées.

Une attention particulière doit être portée sur le polystyrène (PS) et son dérivé le SAN (styrène-acrylonitrile). Dans ces deux cas, selon les grades, une perte des propriétés mécaniques de 30 % peut être observée. Cela n’empêche toutefois pas leur utilisation ; tout dépend du rôle des composants réalisés dans ces matières.

Ce sont plutôt les conditions physiques (température, pression et humidité) du procédé qui peuvent influencer le choix des matériaux, notamment les plastiques.

Ainsi les étapes de préparation (conditionnement) et de mise en contact avec l’ETO sont menées à une température généralement entre 40°C et 50°C dans des conditions d’humidité relative de 50 % à 60 % pendant 6 à 8 heures. Une attention particulière, à travers un test de validation, doit être portée aux plastiques dont les températures de service maximum se situent vers 70°C – 80°C, comme les polyoléfines par exemple, et aux revêtements de nature hydrophile, qui peuvent gonfler.

La capacité du matériau à adsorber l’ETO et à permettre sa migration au travers pour assurer la stérilité de l’ensemble du produit intervient également. Pour cela, il faut se référer à des tables existantes et valider les conditions de traitement par des essais.

 

En conclusion, à l’exception du PTFE soumis aux rayonnements ionisants, tous les plastiques peuvent être compatibles avec les deux techniques industrielles de stérilisation que sont les rayonnements et l’oxyde d’éthylène.

Il faut retenir qu’une dizaine de matières couramment utilisées dans le secteur médical, notamment les PP, PS, POM, PMMA, PC et le caoutchouc butyle, doivent faire l’objet d’une attention particulière. Les risques principaux sont le jaunissement dans le cas des rayonnements et une légère dégradation du PS dans le cas de l’ETO. Il faut donc s’assurer auprès de ses fournisseurs de la compatibilité des grades médicaux qu’ils proposent avec les techniques de stérilisation, et passer par la suite à des essais de validation.