Plasma

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19944 (2022) Citer cet article

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En raison de la pénurie d'équipements de protection individuelle (EPI) pendant la pandémie de COVID-19, l'intérêt et la demande pour les dispositifs de stérilisation permettant de réutiliser les EPI ont augmenté. Pour la réutilisation des masques faciaux, ils doivent être efficacement décontaminés des agents infectieux potentiels sans compromettre leur capacité de filtration lors de la stérilisation. Dans cette étude, nous avons utilisé une décharge de barrière diélectrique pulsée à pression atmosphérique (DBD), combinée à des microgouttelettes liquides nébulisées pour générer un brouillard activé par plasma (PAM). Les bactériophages MS2 et T4 ont été utilisés pour effectuer les tests de décontamination sur deux types de respirateurs N95. Les résultats ont montré une réduction d'au moins 2 log de MS2 et T4 sur les respirateurs N95 traités en un cycle avec 7,8 % de peroxyde d'hydrogène PAM et au moins une réduction de 3 log traités avec 10 % de peroxyde d'hydrogène PAM. De plus, il a été constaté qu'il n'y avait pas de dégradation significative de l'efficacité de filtration des respirateurs N95 (3M 1860 et 1804) traités dans du peroxyde d'hydrogène à 10% PAM trouvé après 20 cycles. En termes de réutilisation des masques après traitement tel que déterminé, il a été démontré que les sangles élastiques du 3M 1804 étaient fragmentées après 20 cycles de traitement, les rendant inutilisables, tandis que les sangles du 3M 1860 n'étaient pas affectées négativement même après 20 cycles de désinfection.

Depuis que le premier cas a été identifié en décembre 2019, la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) s'est propagée rapidement dans plusieurs pays et a été déclarée pandémie par l'Organisation mondiale de la santé en mars 20201. Le virus qui cause la maladie COVID-19 est appelé grave coronavirus du syndrome respiratoire aigu 2 (SARS-CoV-2) et peut se propager parmi les humains via les gouttelettes respiratoires provenant de la toux et des éternuements, les aérosols provenant de la respiration et de la parole, et les fomites2. Des recherches antérieures ont encouragé le port de masques faciaux (également appelés respirateurs) en public pour limiter la propagation du COVID-193,4. Le masque chirurgical peut bloquer les gouttelettes de grosses particules, les éclaboussures, les pulvérisations ou les éclaboussures pouvant contenir des germes (virus et bactéries), tandis que le respirateur N95 peut filtrer efficacement les particules en suspension dans l'air à au moins 95 %. Les bords du respirateur N95 sont conçus pour s'adapter au visage du porteur et éviter que l'air contenant des contaminants n'atteigne le nez et la bouche du porteur sans filtration à travers le respirateur5. Outre les masques faciaux, d'autres équipements de protection individuelle (EPI) tels que les gants, les écrans faciaux et les blouses étaient également très demandés dans certaines parties du monde, car les cas de COVID-19 continuent d'augmenter6. Au début de la pandémie, l'approvisionnement et la distribution d'EPI n'ont pas suivi leur forte demande, obligeant les travailleurs de la santé et les premiers intervenants à réutiliser les EPI, tels que les respirateurs chirurgicaux et N95.

En raison de la pénurie d'EPI, en particulier de respirateurs N95, au début de la pandémie de COVID-19, un large éventail d'études portant sur la décontamination et la réutilisation des EPI ont été menées, y compris l'utilisation de l'irradiation germicide ultraviolette (UVGI), du peroxyde d'hydrogène vaporisé (VHP), oxyde d'éthylène (EtO), four à micro-ondes, eau de Javel, traitement thermique, éthanol, peroxyde d'hydrogène liquide, autoclave, alcool isopropylique, produits d'essuyage, eau du robinet, eau et savon et cuiseur à riz électrique traditionnel7. Il n'est pas simple de comparer l'efficacité des différentes approches car différents virus et bactéries ont été testés par chaque méthode ainsi que sur différents matériaux de masque. Par exemple, l'UVGI peut réduire d'au moins 3 logs la grippe H1N18, tandis que le VHP peut atteindre 6 logs de spores de Geobacillus stearothermophilus sur un respirateur N959. Cependant, certaines des méthodes, telles que l'UVGI, le VHP, le four à micro-ondes, l'eau de Javel, le traitement thermique et l'autoclave, diminuent la qualité du respirateur N95 en réduisant l'efficacité de la filtration ou en compromettant l'intégrité des matériaux des sangles du masque7.

Le plasma non thermique, y compris l'exposition directe et l'exposition à distance, en tant que méthode à basse température pour la stérilisation des surfaces et des matériaux, s'est avéré efficace pour la décontamination microbienne. Des études ont montré que les technologies plasma peuvent inactiver les agents pathogènes à la surface des dispositifs médicaux10 et des produits agricoles11. En ce qui concerne la pandémie de COVID-19, des recherches récentes ont démontré que le plasma direct non thermique peut inactiver l'ARN du SRAS-CoV-2 dans les bioaérosols12. Dans une autre étude, ils ont pu démontrer l'utilisation de la décharge de barrière diélectrique de surface (DBD) pour inactiver un pseudovirus avec la protéine S du SRAS-CoV-2 dans des environnements de stockage et de transport de la chaîne du froid13. En plus d'appliquer le plasma directement sur les matériaux pour la désinfection, il a également été largement démontré que l'eau activée par plasma (PAW) peut agir comme une solution bactéricide efficace14,15. Une approche plus douce et polyvalente semblable à PAW est la production de PAM où des gouttelettes nébulisées d'eau ou d'autres solutions sont exposées à une décharge de plasma. Plutôt que de submerger les matériaux dans PAW, les méthodes PAM produisent des gouttelettes qui peuvent transporter des espèces chimiques réactives générées par plasma avec une capacité d'inactivation microbienne et virale pour stériliser les surfaces. Une étude antérieure avait montré que le PAM accumule des concentrations élevées de peroxyde d'hydrogène et acquiert un pH acide, ce qui crée des conditions appropriées au sein du PAM pour une puissante activité antimicrobienne16. Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) et les espèces réactives de l'azote (RNS) sont considérées comme le rôle le plus important de la désinfection dans PAM17. Les ROS comprennent principalement les radicaux, le peroxyde d'hydrogène, l'oxygène singulet, les anions superoxydes et l'ozone, tandis que les RNS comprennent principalement les nitrates, les nitrites, les peroxynitrites, les radicaux d'oxyde nitrique, l'ammoniac et l'azote15. Il a été démontré que ces ROS et RNS réagissent avec l'ADN viral (double et simple brin) et l'ARN18,19. Par exemple, une étude précédente a montré que le PAM contenant des ROS et des RNS peut inactiver les bactéries à la surface du chou frisé sans endommager la surface elle-même20. Par conséquent, le PAM peut avoir le potentiel d'inactiver le SRAS-Cov-2 à la surface des respirateurs N95 sans diminuer sa capacité à protéger l'utilisateur. De plus, la combinaison de peroxyde d'hydrogène à 7,8 % en aérosol et de plasma a amélioré l'efficacité de l'inactivation de Salmonella et de L. innocua à la surface des produits frais21. Cette combinaison peut également être une méthode efficace pour traiter les EPI.

Dans cette étude, nous avons cherché à tester l'efficacité de la décontamination microbienne de MS2 et T4, tous deux des coliphages non enveloppés, sur deux types de respirateurs N95 (3M 1804 et 1860) en appliquant du PAM, lorsque la solution nébulisée pour créer du PAM était soit désionisée (DI) eau ou eau contenant des concentrations variables de H2O2. Nous voulions également tester l'efficacité de la filtration à l'aide d'une analyse granulométrique pour voir s'il y avait des effets négatifs sur les performances matérielles des masques N95.

Le prototype a été réalisé à partir d'un sèche-vaisselle électrique de 53 L (Fig. 1). Un DBD de surface 20 kHz 3 000 V a été installé à l'extérieur du sèche-vaisselle et connecté à la chambre à l'intérieur. Un récipient d'eau de 750 ml a été fixé sur le côté du sèche-vaisselle et a été connecté au nébuliseur à ultrasons qui était relié au réacteur DBD.

Schéma du système plasma. Il se compose de trois chambres : un grand espace ouvert de 53 L pour l'EPI, la chambre à plasma (n° 1 à 6) et la chambre de chauffage (n° 7 à 9) : 1. Un ventilateur forçant l'air dans la chambre à plasma. 2. Sortez de la chambre à plasma où des gouttelettes, mélangées à des espèces réactives d'oxygène et d'azote (RONS) générées par plasma, sont introduites dans la zone avec l'EPI. 3. Le plasma est généré avec une décharge de barrière diélectrique de 20 kHz, 3 000 V. 4. Un nébuliseur à ultrasons est utilisé pour générer des microgouttelettes d'eau d'un diamètre moyen d'environ 5 µm. 5. Les microgouttelettes d'eau forment un brouillard dense qui est produit immédiatement après la zone de plasma et mélangé au RONS. 6. Chaque cycle consomme 1 ml d'eau DI ou d'autres solutions et notre prototype actuel a un récipient de 750 ml. 7. Pour le cycle à air chauffé, l'air (contenant les RONS résiduels et l'humidité) est aspiré de la chambre avec l'EPI. 8. L'air-RONS-humidité est chauffé à 50 °C pour faciliter l'élimination de la chimie réactive résiduelle et le séchage de l'EPI. 9. L'air chaud est forcé dans la chambre avec l'EPI par un ventilateur.

Un programme prédéfini a été installé dans le système via Arduino. Le programme a été utilisé pour contrôler le temps de fonctionnement du réacteur DBD, du ventilateur, du nébuliseur et du système de séchage. Dans cette étude, nous avons défini le processus de désinfection en 3 étapes pendant 20 min au total. La première étape a été réglée sur 5 min de réacteur DBD, ventilateur et nébuliseur allumés ; la deuxième étape était un réacteur DBD de 5 min et un ventilateur fonctionnant sans le nébuliseur ; et seul le système de séchage est allumé pendant la troisième étape pendant 10 min. Pendant le cycle de séchage, la température à la sortie de la zone de chauffage a été augmentée à 50 ° C en faisant circuler de l'air à l'aide d'un ventilateur d'ordinateur standard à environ 30 CFM sur un serpentin de chauffage résistif. La tension de la bobine a été surveillée par un microcontrôleur Arduino et augmentée ou abaissée pour maintenir la température de la chambre au préréglage de 50 ° C.

La solution de travail de deux virus bactériophages, MS2 (ATCC 15597-B1) et T4 (ATCC 11303-B4) a été stockée à 4 ° C avant le test. La concentration de stock a été quantifiée en étalant des dilutions appropriées par la méthode de dosage de plaque de superposition sur LB Agar22. En bref, des plaques de gélose sous-couche ont été fabriquées à partir de gélose LB (MP Biomedicals). L'agar supérieur a été fabriqué à partir du même type de milieu mais avec une concentration d'agar plus faible. Le mélange de 100 μL de stock MS2 ou T4, 100 μL de l'hôte (Escherichia coli MG1655) et 5 mL d'agar supérieur fondu ont été étalés sur le dessus de l'agar sous-jacent. Une fois le top agar solidifié, les plaques ont été incubées à 37°C pendant une nuit.

Deux respirateurs N95 couramment utilisés (3M 1804 et 3M 1860) ont été testés dans cette étude. Deux côtés de 3M 1860 ont été testés car ils étaient constitués de matériaux différents. Les respirateurs N95 ont été découpés en coupons de 1 × 6 cm. 100 μL de stock de virus ont été inoculés sur chaque coupon. Les coupons ont été laissés dans une enceinte de sécurité à flux laminaire jusqu'à ce qu'ils soient secs (environ 3 h) avant le traitement.

Ensuite, les coupons inoculés ont été traités par notre système et analysés pour l'inactivation microbienne. Trois à six répliques de coupons ont été traitées pour chaque condition. Du peroxyde d'hydrogène (7,8 % et 10 %) ou de l'eau déminéralisée (DI) ont été utilisés pour générer le brouillard. Différentes concentrations de peroxyde d'hydrogène ont été diluées à partir de peroxyde d'hydrogène à 35 % (Arkema). Un contrôle négatif a également été effectué dans chaque expérience.

Après le traitement, la T4 ou la MS2 a été récupérée des matériaux du masque facial par agitation ou vortex dans 10 ou 15 ml de solution saline stérile tamponnée au phosphate (PBS). La couche externe N95 1860 et le coupon 1804 ont été extraits par 15 ml de PBS; La couche interne N95 1860 a été extraite par 10 mL de PBS. L'agitation pendant 20 min à 200 tr/min a permis d'obtenir une efficacité de récupération supérieure à celle du vortex pendant 1 min, de sorte que l'agitation a été utilisée dans la plupart des expériences de cette étude (matériel supplémentaire Efficacité de récupération de MS2 et T4 à partir du matériau du respirateur N95).

Un test de plaque de superposition de double gélose a été utilisé pour quantifier les virus viables récupérés en termes d'unités formant des plaques (PFU). Aucun contrôle de traitement n'a également été effectué pour tenir compte de toute perte de virus viables (PFU) non associée au traitement dans notre système.

L'efficacité de la décontamination a été déterminée à l'aide de l'équation suivante, où Ntraité,moy est la moyenne de PFU/coupon des coupons traités, et Nuntraité,moy est la moyenne de PFU/coupon des coupons non traités.

Les propriétés chimiques du PAM ont été déterminées en mesurant le pH (Hydrion, gamme 0–3 et gamme 0–6), NO3− (Quantofix, gamme 10–500 mg/L), NO2− (Quantofix, gamme 1–80 mg/L ) et peroxyde total (Quantofix, gamme 50–1000 ppm) via des bandelettes de test commerciales. Les bandelettes de test ont été placées au milieu de la chambre de notre système pendant un cycle de décontamination. Une fois le cycle terminé, les bandelettes de test ont été lues en comparant la table des couleurs fournie par les fabricants. L'eau condensée a été recueillie en recouvrant une feuille d'aluminium à la sortie de la chambre à plasma pour un traitement à 1 cycle (# 2 sur la Fig. 1), puis a mesuré le pH, NO3− et NO2− via des bandelettes réactives.

La température et l'humidité ont été mesurées par un enregistreur de données (Elitech GSP-6G). La sonde a été maintenue au milieu de la chambre pendant son fonctionnement. L'ozone a été mesuré en utilisant une absorption UV à longueur d'onde étroite de 254 nm (moniteur d'ozone modèle 106-M, 2B Technologies, Boulder).

L'efficacité de filtration des respirateurs N95 a été réalisée avant et après différents nombres de cycles de traitement (1 ou 20 cycles) dans notre système. Les particules ont été générées dans une chambre en acier inoxydable de 400 L, et en comptant les concentrations de particules de manière alternée entre l'air prélevé (i) directement de la chambre et (ii) à travers le média filtrant. L'efficacité d'élimination des respirateurs N95 a été calculée en utilisant l'équation. (1):

où η est l'efficacité d'élimination du filtre ; et Cchambre et Cfiltre (#/cm3) sont les concentrations de particules dans l'air de la chambre et à travers le média filtrant, respectivement.

Des particules inférieures à ~ 1 μm ont été générées à l'aide de chlorure de sodium (NaCl) en aérosol via un système de génération d'aérosol composé de ces éléments en série : un atomiseur avec une solution d'eau DI et de chlorure de sodium (NaCl) pour générer des particules de NaCl (TSI Aerosol Generator 3076 ); un sécheur à diffusion pour éliminer l'eau du flux d'air (TSI Diffusion Dryer 3062); et un neutralisant pour appliquer une distribution de charge d'équilibre standard (TSI Aerosol Neutralizer 3077A). L'air de la chambre a été mélangé avec des ventilateurs afin que les concentrations soient uniformes. Les médias filtrants testés ont été maintenus dans un boîtier de filtre imprimé en 3D. Les débits ont été conçus de manière à ce que la vitesse frontale à travers le média filtrant soit de 10 cm/s. Les particules ont été comptées avec un TSI Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) 3091, qui mesure les distributions de taille chaque seconde en utilisant 32 canaux entre la plage de taille de diamètre de 0,0056 et 0,56 μm. Le résultat de cette procédure, pour chaque média filtrant testé, est une détermination de l'efficacité d'élimination du filtre pour les particules totales et en fonction de la taille des particules (avec des diamètres compris entre 0,0056 et 0,56 μm). Les résultats de cette procédure permettent une comparaison avec ceux d'un test N95, qui teste une efficacité d'élimination de 95 % des particules de 0,3 μm de diamètre.

Les ensembles de données ont été analysés à l'aide de SPSS. La valeur P < 0,05 est considérée comme significative. Les données sont des moyennes ± écarts-types (ET).

Deux types de respirateurs N95 couramment utilisés ont été testés dans cette étude. La concentration de MS2 ou de T4 inoculée sur les respirateurs N95 se situait dans une plage de 6 à 8 log PFU/pièce. Un traitement par cycle de coupons de respirateurs N95 dans notre système avec de l'eau DI PAM a montré une réduction de 0,5 à 0,7 log de MS2 et pas plus de 0,9 log de réduction de T4 (Fig. 2 et tableau de matériel supplémentaire S1). Lorsque 7,8 % et 10 % de peroxyde d'hydrogène ont été utilisés pour générer du PAM, les résultats ont montré une efficacité de décontamination plus élevée de MS2 et de T4. Les comparaisons de la réduction logarithmique indiquent des différences significatives entre les groupes de traitement de DI, 7,8 % et 10 % de peroxyde d'hydrogène (ANOVA, p < 0,05). Respirateur N95 traité par 7,8 % de peroxyde d'hydrogène PAM dans notre système atteint plus de 2 log par rapport à MS2 et T4. Pour le PAM à 10 % de peroxyde d'hydrogène, notre système a atteint une efficacité d'inactivation de 3 logs qui a dépassé les demandes d'autorisation d'utilisation d'urgence (EUA) de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. La FDA EUA a demandé la validation de la réduction de la charge microbienne démontrant au moins 3 log d'un virus non enveloppé23. Un traitement de cycle dans notre système avec un brouillard de peroxyde d'hydrogène à 7,8 % mais sans plasma a permis d'obtenir une réduction de 1,5 log à T4 sur N95 1804, tandis que dans les mêmes conditions mais avec du plasma, on peut obtenir une réduction de 2,9 log. Cela signifie que le plasma peut améliorer la capacité d'inactivation du peroxyde d'hydrogène seul. De plus, il n'y avait pas de différence significative entre la réduction log de l'un ou l'autre des bactériophages sur N95 1804 et 1860.

Efficacité de décontamination des MS2 et T4 sur les respirateurs N95 traités par différentes compositions de PAM. Le N95 1804 traité dans un brouillard de peroxyde d'hydrogène à 7,8 % sans plasma n'a pas été testé sur MS2. Tous les traitements se sont avérés réduire de manière significative MS2 ou T4 sur N95 1804 ou 1860 par rapport au groupe non traité (P < 0,05, test t indépendant).

Des bandelettes de test commerciales ont été utilisées pour mesurer qualitativement le pH, le NO3−, le NO2− et le peroxyde total. Même si les résultats n'étaient pas précis sur le plan quantitatif, l'utilisation des voyages d'essai commerciaux a fourni un aperçu de la chimie du PAM généré (Matériau supplémentaire Figure S3). Lorsque de l'eau DI était utilisée comme source de PAM, les bandes de pH indiquaient que le pH de PAM était d'environ 1. Alors que le pH était de 0 lorsque 10% de peroxyde d'hydrogène était la source de PAM. NO3 − et NO2− mesurés dans l'eau DI PAM étaient de 500 et 80 mg/L, respectivement. Malheureusement, les résultats de NO3− et NO2− n'étaient pas concluants dans le peroxyde d'hydrogène PAM à 10 % car la couleur de la bande de nitrite et de nitrate apparaissait blanchie après un cycle de traitement. En plus de placer ces bandelettes indicatrices dans le dispositif de traitement, le pH, le NO3− et le NO2− ont également été mesurés à l'aide de ces bandelettes dans de l'eau condensée collectée à partir de PAM générée par de l'eau DI (matériel supplémentaire Figure S3), où il a été montré que le pH de l'eau condensée était de 1,5, NO3− et NO2− étaient > 500 et 1 mg/L, respectivement.

En plus de la chimie des gouttelettes, nous nous sommes également intéressés à la concentration des espèces réactives de l'oxygène, comme l'ozone, au sein de la chambre de traitement. Par conséquent, la concentration d'ozone a également été mesurée à deux endroits dans notre système au cours d'un cycle de fonctionnement, avec un emplacement directement adjacent au réacteur à plasma DBD et le deuxième emplacement à l'intérieur de la chambre de traitement où les masques ont été placés (Fig. 3). Dans la chambre, il a été démontré que la concentration d'ozone augmentait considérablement et restait à un niveau élevé pendant les 10 premières minutes. Au cours des 10 minutes suivantes, la concentration d'ozone a diminué car le réacteur à plasma DBD a été éteint et le chauffage a été allumé. La concentration maximale d'ozone dans la chambre où les masques étaient placés était d'environ 170 ppm, tandis que la concentration maximale d'ozone était de 215 ppm dans le réacteur à plasma DBD. Pendant le cycle de traitement, la concentration d'ozone a chuté à 0,03 ppm après un cycle complet.

Concentration d'ozone mesurée dans la chambre de placement de l'échantillon (à gauche) et dans la chambre du réacteur DBD (à droite) pendant un cycle de fonctionnement.

En plus de l'ozone, la température et l'humidité dans la chambre ont également été mesurées (Fig. 4). Sur la figure 4, on peut voir au cours d'un cycle de fonctionnement que la température a régulièrement augmenté de moins de 30 ° C à 36 ° C, tandis que l'humidité a augmenté pendant les 5 premières minutes jusqu'à 90% pendant le fonctionnement du nébuliseur. Lorsque le nébuliseur a été éteint après 5 minutes, l'humidité a diminué jusqu'à 33 % à la fin du cycle de traitement.

Température et humidité d'un cycle de traitement avec de l'eau DI PAM.

L'efficacité de filtration de deux masques N95 (3 M 1860) a été testée avant tout traitement plasma. Ensuite, l'un de ces masques a été traité pendant 1 cycle dans notre système avec de l'eau DI comme source de brouillard, et l'autre a été traité pendant 20 cycles. Leurs efficacités de filtration ont été à nouveau testées. Il n'y avait aucun changement perceptible dans l'efficacité du retrait du masque après 1 ou 20 traitements. Ce résultat indique qu'il n'y a pas de dégradation du matériau du filtre qui affecterait l'élimination des particules en suspension dans l'air ou des aérosols par le respirateur.

La fragmentation du matériau élastique dans les sangles de 3 M 1804 a été constatée après un cycle de traitement dans notre système avec de l'eau DI seule et avec du peroxyde d'hydrogène. En revanche, la fragmentation n'a pas été observée sur les sangles 3 M 1860 même après 20 cycles de traitement dans du peroxyde d'hydrogène à 10 %. Fait intéressant, d'après les détails de leur emballage commercial, les sangles de 3M 1860 sont en polyisoprène tressé tandis que les sangles de 3M 1804 sont en polyisoprène. D'autres études sont nécessaires pour étudier comment le PAM, ainsi que d'autres technologies de désinfection, peuvent avoir un impact sur l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des sangles de respirateur après une stérilisation répétée.

Le système de plasma DBD pulsé utilisé dans cette étude est un petit dispositif de désinfection à base de plasma, économique, facile à fabriquer et à distribuer, conçu pour réutiliser l'EPI dans un environnement pandémique, qui peut atteindre une efficacité de décontamination élevée en un temps de traitement court. Le cycle de traitement actuel est fixé à 10 min PAM et 10 min de séchage thermique. Il a le potentiel d'atteindre des niveaux de décontamination plus élevés en utilisant différents additifs au liquide et/ou en modifiant les paramètres du plasma (par exemple, le temps de traitement ou la puissance du plasma). Il a été démontré que la concentration plus élevée de peroxyde d'hydrogène augmente la capacité d'inactivation, mais la qualité des masques N95 après traitement devra être testée pour s'assurer que l'efficacité de filtration n'est pas dégradée. Une concentration plus faible de peroxyde d'hydrogène, telle que 3%, devrait également être envisagée à l'avenir en raison de sa disponibilité pour le grand public.

Avant notre étude, le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) avait découvert que l'irradiation germicide ultraviolette (UVGI) et le peroxyde d'hydrogène vaporeux (VHP) étaient plus prometteurs comme méthodes potentielles de décontamination des respirateurs N9524. Des UVGI avec différents paramètres ont été testés dans des recherches antérieures en traitant divers micro-organismes sur des respirateurs N95, tels que les spores de Bacillus subtilis25, les virus de la grippe8, le SARS-CoV-1 et le SARS-CoV-226. L'UVGI a une capacité d'inactivation substantielle, mais peut être découragée par l'effet d'ombrage produit par les multiples couches des respirateurs N958. Pendant ce temps, les UVGI peuvent avoir un impact considérable sur la tension de la sangle et la résistance des couches de certains modèles de masques N957. Parce que notre système est une méthode de désinfection non thermique et que la température pendant le cycle de décontamination est inférieure à 36 °C, il peut éviter la diminution des performances de filtration causée par la chaleur (à 80 °C)7.

Le mécanisme de la façon dont PAM inactive les micro-organismes n'est pas clair, mais des recherches antérieures ont considéré que PAM agit comme une forme plus concentrée de PAW qui peut transporter plus efficacement les espèces réactives au plasma à la surface en raison de leur surface interfaciale élevée16. Dans cette étude, nous avons trouvé des concentrations élevées de nitrate qui indiquaient la formation de peroxynitrite, dont il a été démontré qu'il contribue à l'inactivation microbienne27. De plus, nous avons démontré dans cette étude que le plasma améliore l'efficacité antimicrobienne du peroxyde d'hydrogène, ce qui concorde avec les recherches antérieures21,28. L'une des raisons avancées pour lesquelles le plasma peut améliorer la réactivité du peroxyde d'hydrogène est due à la production de radicaux hydroxyle (OH*), lorsque le peroxyde d'hydrogène se combine avec l'ozone dans ce que l'on appelle le processus peroxone29. Comme le montre la figure 3, le système plasma est capable de produire des quantités importantes d'ozone pouvant entraîner la réaction de peroxone suivante :

En plus du dispositif utilisé dans cette étude, il existe un certain nombre d'autres dispositifs de désinfection à base d'ozone et de peroxyde d'hydrogène dont il a été démontré qu'ils décontaminent efficacement les masques N95, tels que STERRAS 100NX (plasma gazeux au peroxyde d'hydrogène), Bioquell Z- 2 (VHP), Sterizone VP4 (hybride vaporisé peroxyde d'hydrogène-ozone) et Clēan Flow Mini (UVC, peroxyde d'hydrogène, hybride ozone)30. Ces appareils, à l'exception de Clēan Flow Mini, nécessitent une concentration élevée de solution de peroxyde d'hydrogène (30 à 59 %)31,32. Bien qu'il ait été démontré que le plasma gazeux au peroxyde d'hydrogène, qui utilise 59 % de peroxyde d'hydrogène dans sa phase plasma, a un fort effet d'inactivation (une réduction moyenne de 5,6 log de MS2), il a également été démontré que son utilisation peut diminuer le masque facial efficacité de filtration après seulement 3 cycles33. Un autre inconvénient d'avoir besoin de concentrations élevées de peroxyde d'hydrogène est son coût élevé, ainsi que les politiques qui réglementent fortement le transport de ces solutions concentrées. Les résultats de cette étude montrent qu'il est possible de concevoir un système plasma avec des concentrations de peroxyde d'hydrogène plus faibles qui peuvent atteindre une inactivation virale suffisante sans compromettre l'efficacité de filtration du masque N95.

Bien que les résultats de cette étude indiquent que le PAM peut être utilisé pour stériliser efficacement les masques N95 pour leur réutilisation potentielle, notre étude comportait certaines limites. Par exemple, nous n'avons testé l'efficacité d'inactivation que sur les matériaux filtrants de deux types de respirateurs N95. Les autres matériaux des respirateurs, tels que les sangles, les agrafes, le pince-nez et la mousse nasale, n'ont pas été testés. Pendant ce temps, d'autres EPI tels que les masques chirurgicaux, les blouses d'isolement, les lunettes et les écrans faciaux devraient être testés à l'avenir. Ces EPI sont constitués de divers matériaux. Par exemple, les écrans faciaux sont fabriqués avec des feuilles de polycarbonate (PC) et de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET)34. Les masques chirurgicaux sont généralement fabriqués dans le même matériau que les masques N95, à savoir le polypropylène (PP)35. Les blouses d'isolement jetables sont faites de fibres synthétiques (p. ex., polypropylène, polyester, polyéthylène), tandis que les blouses réutilisables sont généralement faites de 100 % coton, 100 % polyester ou de mélanges polyester/coton36. Deux types de phages bactériens non enveloppés MS2 et T4 ont été testés dans cette étude, mais des substituts avec une structure plus similaire du SRAS-CoV-2 ou lui-même, et des bactéries gram-positives avec une plus forte résistance aux désinfectants devraient également être envisagés à l'avenir. En plus de tester cette technologie sur plus de virus ou de bactéries sur divers matériaux, d'autres expériences doivent être menées pour déterminer les propriétés chimiques du PAM. Actuellement, en raison de la complexité des réactions d'interface plasma et liquide et des petites tailles de gouttelettes générées, il n'y a qu'une compréhension qualitative des processus de réaction chimique et chimique qui se produisent dans PAW et PAM d'un point de vue de modélisation théorique37,38. Des travaux expérimentaux supplémentaires doivent être effectués pour vérifier ou valider ces théories et améliorer notre compréhension de la chimie au sein du PAM et de la manière dont ils peuvent être davantage utilisés pour la stérilisation des matériaux.

Le système de stérilisation utilisé dans cette étude est une technologie à base de plasma qui combine un plasma DBD de surface et un brouillard d'eau ou de peroxyde d'hydrogène. Il peut atteindre une réduction d'au moins 2 log de MS2 et T4 (deux virus non enveloppés) sur les respirateurs N95 traités en un cycle avec du peroxyde d'hydrogène PAM à 7,8 % et une réduction d'au moins 3 log avec du peroxyde d'hydrogène à 10 %. Pendant ce temps, il n'y a pas eu de dégradation significative de l'efficacité de filtration des 3M N95 1860 et 1804 traités après 20 cycles avec de l'eau DI, 7,8 % et 10 % de peroxyde d'hydrogène PAM. Bien que nous ayons des preuves que les ROS et les RNS sont présents PAM, d'autres études sont nécessaires pour confirmer l'impact de ces espèces chimiques sur les mécanismes d'inactivation lors de l'utilisation de PAM pour la désinfection. Bien qu'il existe des technologies de désinfection qui utilisent uniquement le brouillard de peroxyde d'hydrogène, nos résultats indiquent que le plasma peut améliorer l'efficacité d'inactivation du brouillard de peroxyde d'hydrogène. Le temps de fonctionnement court et la petite taille de notre appareil offrent un potentiel commercial à notre système.

Toutes les données pertinentes pour l'étude sont incluses dans l'article ou téléchargées en tant qu'informations supplémentaires.

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Ce travail est soutenu, en partie, par le SUBNET Phase II SBIR de la Defense Logistics Agency (numéro de contrat : SP4701-20-C-0028) et le titre du projet NSF IUCRC C-PEAB « RAPID : Cold Adaptive Atmospheric Plasma Decontamination of COVID-19 ».

Département de génie civil, architectural et environnemental, Université Drexel, Philadelphie, PA, États-Unis

Jinjie He, Michael Waring et Christopher M. Sales

C. & J. Nyheim Plasma Institute, Drexel University, Camden, NJ, États-Unis

Jinjie He, Alexander Fridman, Alexander Rabinovich et Christopher M. Sales

Département de génie mécanique et de mécanique, Drexel University, Philadelphie, États-Unis

Alexandre Fridman et Alexandre Rabinovitch

AA Plasma LLC, Philadelphie, Pennsylvanie, États-Unis

Charles Bailey et Grégory Friedman

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JH a écrit le texte principal du manuscrit avec l'aide de CS, GF et MWJH et MW ont réalisé l'expérience. CS, GF, AR et AF ont supervisé le projet. GF et CB ont conçu l'étude et étaient en charge de la direction générale et de la planification. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Jinjie He.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 31 mai 2022

Accepté : 03 novembre 2022

Publié: 19 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23660-5

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