Le conteneur qui conserve une personne cryoconservée pendant un siècle est, d’un point de vue conceptuel, le même objet que le thermos qui garde votre café au chaud. Il est simplement beaucoup plus grand et fonctionne à l’extrémité opposée de l’échelle des températures. Ce n’est pas une simplification fantaisiste ; c’est la clé qui explique pourquoi la conservation à long terme est si fiable. Un congélateur maintient les aliments au froid en fonctionnant en continu et tombe en panne dès qu’il y a une coupure de courant. Un flacon Dewar maintient les aliments au froid sans pratiquement rien faire, et c’est précisément cette différence qui explique pourquoi le stockage cryogénique ne dépend pas du réseau électrique.
Il est donc intéressant de comprendre exactement comment un thermos permet d'isoler de la chaleur, et comment ces principes physiques, en apparence simples, s'appliquent à une cuve en acier de trois mètres pouvant contenir quatre personnes à -196 °C.
Un thermos combat la chaleur de trois façons différentes
Les dewars de stockage cryogénique sont des récipients sous vide destinés au stockage et au transport de substances cryogéniques, en l’occurrence l’azote liquide. Ils tirent leur nom de Sir James Dewar, chimiste et physicien britannique qui a inventé en 1892 le flacon sous vide, appelé « flacon Dewar » ou « thermos ». Pensez à ce qu’un bon thermos permet réellement de faire : il maintient une boisson froide pendant des heures d’exposition au soleil, ou chaude pendant une journée glaciale, sans aucune source d’énergie. Le secret réside dans le fait qu’il s’attaque aux trois modes de transfert de chaleur.
Le principe est simple. Un récipient comporte deux parois entre lesquelles l’air a été évacué pour créer un espace sous vide, un bouchon hermétique et une couche réfléchissante sur les surfaces faisant face à cet espace. Ces trois éléments combinés empêchent tout transfert de chaleur. L’espace sous vide bloque la conduction: il n’y a pratiquement aucune molécule dans cet espace pour transporter la chaleur. Le bouchon hermétique empêche la convection, car l’air ne peut ni entrer ni sortir. La couche réfléchissante combat le rayonnement, en renvoyant la chaleur plutôt qu’en l’absorbant. Un flacon Dewar cryogénique est techniquement le même dispositif, simplement spécialisé pour les liquides à très basse température et construit à une échelle bien plus grande, surtout lorsque son contenu est un être humain plutôt qu’une boisson. À cette échelle, la couche réfléchissante unique se multiplie. Les grands récipients cryogéniques sont dotés d’une isolation multicouche le long de l’espace sous vide. Cela signifie des dizaines de feuilles alternées de papier d’aluminium réfléchissant et d’entretoises non conductrices. Chaque feuille renvoie un peu plus de chaleur rayonnante vers sa source d’origine.
Des échantillons cellulaires à l'individu dans son ensemble
Les dewars se déclinent en de nombreuses formes et tailles, en fonction de ce qu’ils contiennent. Les plus petits servent à stocker des cultures cellulaires, des tissus, du sperme et des embryons cryoconservés, qui peuvent tous être réchauffés et utilisés avec succès ultérieurement, ce qui rappelle que la biologie de la « suspension et du retour » relève de la routine et non de la spéculation, et constitue le fondement même de la biostase. Des dewars spécialement conçus permettent également de conserver des patients cryoconservés, soit le corps entier, soit, pour les patients atteints de troubles neurologiques, uniquement le cerveau.
Les prestataires tels que Tomorrow.bio utilisent Tomorrow.bio des dewars en acier inoxydable qui résistent à la détérioration sur de longues périodes ; ceux-ci sont stockés et surveillés dans l'installation de stockage à long terme. Les dewars pour corps entiers les plus courants mesurent environ 3 mètres de haut et 1 mètre de large et peuvent accueillir jusqu'à 4 patients en corps entier. Les patients atteints de troubles neurologiques sont généralement placés dans une colonne dédiée au centre du dewar.
Pourquoi faut-il faire l'appoint d'azote ?
Comme le savent tous ceux qui possèdent un thermos, le café finit toujours par refroidir. Un thermos de bonne qualité retarde ce processus, mais la chaleur finit toujours par l’emporter. Il en va de même pour un vase de Dewar, même doté d’une isolation de pointe, et la raison principale réside dans le couvercle. Un récipient parfaitement hermétique offrirait une meilleure isolation, mais il serait alors impossible d’y introduire ou d’en retirer des patients ; le couvercle représente donc un compromis délibéré entre isolation et accessibilité.
L'azote liquide n'existe sous forme liquide qu'à une température égale ou inférieure à -196 °C ; au-delà de cette température, il entre en ébullition, se transforme en gaz et se disperse. Ainsi, une petite quantité de l'azote contenu dans un flacon Dewar se réchauffe lentement, entre en ébullition et se transforme en gaz. Le récipient doit permettre à ce gaz de s'échapper. Sinon, la pression augmenterait jusqu'à ce qu'il se rompe, une issue que nous souhaitons absolument éviter. Le revers de la médaille de l’évaporation est le remplissage. Tout vase Dewar contenant du matériel biologique doit être rempli périodiquement. Ce n’est pas fréquent, mais cela représente un coût récurrent réel pour un processus destiné à durer très longtemps. Dans la pratique, les exploitants des installations remplissent les vases Dewar cryogéniques environ une fois par semaine, principalement par mesure de sécurité plutôt que parce que le niveau d’azote est vraiment bas. Même avec cet entretien, l’azote liquide reste aujourd’hui le moyen le plus pratique, le moins cher et le plus respectueux de l’environnement pour conserver les patients.
Pourquoi les patients sont-ils placés la tête en bas ?
Un détail peut paraître macabre jusqu’à ce qu’on en comprenne la logique : les patients sont conservés la tête en bas, les pieds vers le fond. Une partie de l’azote s’évapore inévitablement avec le temps, ce qui peut faire baisser le niveau du liquide. La partie du corps du patient qu’il faut à tout prix éviter d’exposer est le cerveau. Selon les connaissances actuelles, tout ce qui fait l’identité d’une personne est codé dans sa structure. Le stockage du patient la tête en bas maintient le cerveau au fond du vase Dewar, dernier endroit à être affecté par une éventuelle perte d’azote liquide, même dans les circonstances les plus extrêmes et imprévisibles. Il s’agit d’une simple mesure de précaution géométrique visant à protéger le tissu le plus important qui soit.
Un « dewar » cryogénique est un thermos géant qui protège une personne sans consommer le moindre courant électrique, ce qui explique précisément pourquoi il continue de fonctionner lorsque tous les appareils électriques ont déjà cessé de fonctionner.