Rétention initiale d'Escherichia Coli sur les élastomères de silicone : effets de la dureté et de la topographie

Initial retention of the bacterium Escherichia coli on silicone elastomers : the effects of stiffness and topography

• Auteur / Autrice : Viktoriia Drebezghova
• Direction : Corinne Nardin, Frédéric Léonardi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des polymères
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Nardin, Frédéric Léonardi, Lydie Ploux, Frédéric Restagno, Régis Grimaud, Gyula Julius Vancso
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lydie Ploux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Escherichia coli

Mots clés libres

PDMS Sylgard 184

Silicone liquide LSR

Escherichia coli

Dureté

Topographie

Superhydrophobe

PDMS Sylgard 184

Liquid Silicone Rubbers (LSR)

Escherichia coli

Stiffness

Topography

Superhydrophobic

Résumé

La contamination bactérienne est de nos jours un problème crucial en milieu cliniques et dans plusieurs secteurs industriels. La prévention de l'adhésion initiale des bactéries aux surfaces représente une approche efficace afin d'empêcher la croissance de biofilms bactériens dans lesquels celles-ci sont plus résistantes aux antibiotiques et aux conditions environnementales. Parmi les différentes stratégies possibles de développement de surfaces antibactériennes nous nous sommes focalisés sur le développement de surfaces résistantes à l'adhésion bactérienne selon une approche préventive qui consiste à moduler les propriétés intrinsèques des matériaux. Le but principal de ma thèse, conduite dans le cadre du projet transfrontalier Interreg V-A Espagne-France-Andorre (POCTEFA) Health-Liquid Silicone Rubbers (Health-LSR) et subventionné par la région Nouvelle-Aquitaine, est d’étudier la réponse bactérienne aux propriétés physiques des élastomères en silicone telles que la dureté et la topographie de surface pour des applications biomédicales.Pour les surfaces « modèles », nous avons sélectionné le poly(dimethylsiloxane) (PDMS) Sylgard 184, le silicone commercial le plus étudié. La structure en réseau tridimensionnel du PDMS réticulé à l’échelle nanométrique a été visualisée et analysée par microscopie à force atomique (AFM) haute résolution. En utilisant une souche d’Escherichia coli, nous avons établi la corrélation entre le degré de réticulation et donc la dureté du PDMS et la rétention bactérienne. Nous avons également démontré l’effet des chaînes libres de PDMS sur la rétention bactérienne même si la nature de cet effet reste difficile à mettre en évidence directement. Toutefois, l’effet de l’extraction de chaînes libres sur plusieurs propriétés physico-chimiques (composition chimique, nano-topographie, la densité de réticulation) a été étudié, et son influence potentielle sur la rétention bactérienne analysé.Dans le cadre du projet « POCTEFA Health-LSR », nous avons étudié plus particulièrement la rétention bactérienne sur le silicone liquide (LSR). C’est un produit commercial constitué principalement de chaînes de PDMS et de charges en silice en différentes proportions afin de moduler les propriétés mécaniques du LSR. Dans un premier temps nous avons caractérisé le comportement thermique et mécanique du LSR. Nous avons également mis en évidence « l’effet lotus » des surfaces LSR texturées par moulage à chaud. Suite aux tests microbiologiques effectués sur le LSR, les surfaces texturées ne permettent pas de réduire la rétention bactérienne malgré ses propriétés superhydrophobes. Au contraire, elles sont plus favorables à la rétention bactérienne que les surface « lisses », car la taille caractéristique des structures et une transition de l’état de mouillage Cassie-Baxter à l’état Wenzel augmente la surface d’encrage disponible pour les bactéries.

Bacterial contamination is nowadays a crucial issue in a wide range of industrial and clinical settings. Preventing initial bacterial adhesion to material surfaces represents an effective approach for avoiding biofilm growth in which bacteria become much more resistant to antibiotics and environmental stresses. Among different possible strategies of antibacterial surfaces development, we were especially interested in the development of materials resistant to initial bacterial adhesion due to their intrinsic properties. The main objective of this thesis, conducted in the frame of both the Project Interreg V-A Espagne-France-Andorre (POCTEFA) Health-Liquid Silicone Rubbers (Health-LSR) “POCTEFA Health-LSR” further granted by the Nouvelle Aquitaine Research Council, was to investigate the bacterial response to physical properties of silicone elastomers such as stiffness and surface topography for biomedical applications.As model surface, we selected poly(dimethylsiloxane) (PDMS) Sylgard 184 commercial silicone, the characteristics of which are the most reported in the literature. The network structure of the cross-linked PDMS was visualized and analyzed by high resolution atomic force microscopy (AFM) at the nanometer scale. Using Escherichia coli strains, we established the correlation between the cross-linking degree and thus the stiffness of PDMS and bacterial retention. We also shown the effect of uncross-linked free, PDMS chains on bacterial retention. However, even if this effect is not intuitive at a first glance, we characterized the physico-chemical properties (chemical composition, nano-topography, cross-link density) of the material to assess the potential role of the free chains on bacterial retention.In the frame of the project “POCTEFA Health-LSR”, we investigated the bacterial retention on Liquid Silicone Rubbers (LSR). It is a commercial product mainly composed of PDMS chains and silica fillers in different ratios to vary the mechanical properties of LSR. In the first stage, we characterized the thermal and mechanical behavior of the elastomers under investigation. We also textured by hot molding LSR surfaces that reveal the “lotus-leaf” effect. According to microbiological tests achieved on those, the textured LSR surfaces do not allow for any reduction of bacterial retention regardless their superhydrophobic properties. Rather, they are more favorable to bacterial retention than “smooth” surfaces, given that anchor surface available to bacteria is considerably increased due to the texture characteristic size associated with a Cassie-Baxter to Wenzel wetting state transition.