Modification de nanocomposites de carbone par rayonnement électromagnétique pour des applications biomédicales

Modification of carbon nanocomposites by electromagnetic irradiation for biomedical application

• Auteur / Autrice : Milica Budimir
• Direction : Rabah Boukherroub, Miloš Vujisić
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Univerzitet u Beogradu
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites polymères

Points quantiques

Oxyde de graphène

Rayons gamma

Biofilms

Effets des rayonnements

Bactéries

Antibactériens

Mots clés libres

Nanostructures de carbone

Effet photodynamique

Effet photothermique

Nanocomposites

Résumé

La contamination microbienne est un problème très important dans le monde entier qui affecte de nombreux aspects de notre vie quotidienne: soins de santé, systèmes de purification de l'eau, stockage des aliments, etc. Les thérapies antibactériennes traditionnelles deviennent moins efficaces, car une utilisation et une élimination inadéquates des antibiotiques ont déclenché des mutations chez les bactéries qui ont conduit à de nombreuses souches résistantes aux antibiotiques. Par conséquent, il est très important de développer de nouveaux matériaux antibactériens pour combattre de manière efficace les bactéries planctoniques et leurs biofilms. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de développer deux nanocomposites différents carbone / polymère (oxyde de graphène réduit / polyéthylénimine et nanostructures de carbone / polyuréthane) originaux qui présentent d'excellentes propriétés antibactériennes à travers deux effets différents : photothermique et photodynamique. Une irradiation électromagnétique a été utilisée (rayonnement laser proche infrarouge ou rayons gamma) dans le but de déclencher l'effet photothermique et d'améliorer l'effet photodynamique des nanocomposites. Dans la première partie expérimentale de cette thèse, une stratégie simple et efficace pour la capture de bactéries et leur éradication par destruction photothermique est présentée. Le dispositif développé consiste en une interface à base de Kapton modifié avec des nano-trous d'or (Au NH), et recouvert d’une couche mince d'oxyde de graphène/ polyéthylèneimine (K / Au NH / rGO-PEI). Le dispositif K / Au NH / rGO- PEI a été efficace pour capturer et éliminer à la fois les bactéries planctoniques à Gram positif Staphylococcus aureus (S. aureus) et à Gram négatif Escherichia coli (E. coli) après 10 min d'irradiation à 980 nm. De plus, le dispositif développé s’est avéré efficace pour détruire et éradiquer des biofilms de Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) après 30 min d'irradiation. Dans la deuxième partie expérimentale de ce travail de thèse, la préparation d'un nanocomposite à base de nanostructures de carbone hydrophobes / polyuréthane (hCQD-PU) avec des propriétés antibactériennes améliorées induites par un prétraitement par irradiation gamma est présentée. Des nanostructures de carbone hydrophobes (hCQD), capables de générer des espèces réactives de l'oxygène (ROS) suite à une irradiation avec une lumière bleue de faible puissance (470 nm), ont été incorporées dans la matrice polymère en polyuréthane (PU) pour former un nanocomposite photoactif. Le nanocomposite ainsi formé a été exposé à différentes doses d'irradiation gamma (1, 10 et 200 kGy) afin de modifier ses propriétés physiques et chimiques et d'améliorer son efficacité antibactérienne. Le prétraitement par irradiation gamma a considérablement amélioré les propriétés antibactériennes du nanocomposite, et le meilleur résultat a été obtenu pour la dose d'irradiation de 200 kGy. Cet échantillon a permis l'élimination totale des bactéries après 15 min d'irradiation par la lumière bleue, pour les souches à Gram positif et à Gram-négatif.

Microbial contamination is a very important issue worldwide which affects multiple aspects of our everyday life: health care, water purification systems, food storage, etc. Traditional antibacterial therapies are becoming less efficient, because inadequate use and disposal of antibiotics have triggered mutations in bacteria that have resulted in many antibiotic-resistant strains. Therefore, it is of great importance to develop new antibacterial materials that will effectively combat both planktonic bacteria and their biofilms in an innovative manner. In this context, the goal of this thesis was to develop two different carbon/polymer nanocomposites (reduced graphene oxide/polyethylenimine and carbon quantum dots/polyurethane) which exhibit excellent antibacterial properties through two different effects: photothermal and photodynamic. Electromagnetic irradiation was used (near-infrared laser radiation or gamma rays) in these experiments, for the purpose of triggering the photothermal effect and enhancing the photodynamic effect of the nanocomposites. In the first experimental part of this thesis, a simple and efficient strategy for bacteria capture and their eradication through photothermal killing is presented. The developed device consists of a flexible Kapton interface modified with gold nanoholes (Au NH) substrate, coated with reduced graphene oxide-polyethyleneimine thin films (K/Au NH/rGO-PEI). The K/Au NH/rGO–PEI device was efficient in capturing and eliminating both planktonic Gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus) and Gram-negative Escherichia coli (E. coli) bacteria after 10 min of NIR (980 nm) irradiation. Additionally, the developed device could effectively destroy and eradicate Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) biofilms after 30 min of irradiation. In the second experimental part, the preparation of a hydrophobic carbon quantum dots/polyurethane (hCQD-PU) nanocomposite with improved antibacterial properties caused by gamma-irradiation pre-treatment is presented. Hydrophobic quantum dots (hCQDs), which are able to generate reactive oxygen species (ROS) upon irradiation with low power blue light (470 nm), were incorporated in the polyurethane (PU) polymer matrix to form a photoactive nanocomposite. Different doses of gamma irradiation (1, 10 and 200 kGy) were applied to the formed nanocomposite in order to modify its physical and chemical properties and improve its antibacterial efficiency. The pre-treatment by gamma-irradiation significantly improved antibacterial properties of the nanocomposite, and the best result was achieved for the irradiation dose of 200 kGy. In this sample, total bacteria elimination was achieved after 15 min of irradiation by blue light, for Gram-positive and Gram-negative strains.