Understanding the mechanisms of interactions at interfaces between bacteria and materials : development of anti-adhesion and anti-biofilm surfaces

par Mayssane Hage

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Charafeddine Jama, Hikmat Akoum et de Nour-Eddine Chihib.

Soutenue le 03-11-2021

à l'Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec l'Université Libanaise , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord) , en partenariat avec Unité matériaux et transformations (UMET) (laboratoire) et de Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 / UMET (laboratoire) .

Le président du jury était Monzer Hamze.

Le jury était composé de Adem Gharsallaoui, Layal Karam.

Les rapporteurs étaient Mireille Kallassy-Awad, Salwa Karboune.

  • Titre traduit

    Compréhension des mécanismes d’interactions aux interfaces entre bactérie et matériaux : élaboration de surfaces antiadhésives et anti-biofilm


  • Résumé

    L’environnement opératoire dans les domaines alimentaire et médical permet aux bactéries de se fixer et de se développer sur les surfaces, ce qui entraîne la formation de biofilms bactériens pathogènes et résistants. Ces structures pathogènes sont responsables de plusieurs maladies d'origine alimentaire et d'infections nosocomiales. Par conséquent, pour lutter contre ce fléau de santé publique, une approche possible est l'utilisation des technologies plasma froid pour l’élaboration de revêtements sur différents matériaux. Ce travail présente les différents facteurs influençant l'adhésion bactérienne à un substrat. En outre, les stratégies d’élaboration de revêtements passifs visant à prévenir la formation de biofilms par des traitements de surface par plasma froid sont décrites ainsi que les propriétés antiadhésives des surfaces élaborées. Les aspects généraux du revêtement, y compris les modifications physicochimiques de la surface et l'utilisation des technologies par plasma froid, sont également présentés. Dans ce contexte, une étude a été menée dans le but d'inhiber l'adhésion de la bactérie pathogène Salmonella enterica à la surface de l'acier inoxydable, via son traitement par plasma froid. Dans le but de limiter la formation du biofilm de Salmonella enterica, des revêtements organosiliciés à partir du monomère 1,1,3,3-tétraméthyldisiloxane, mélangé ou non à l’oxygène, ont été élaborés par polymérisation par plasma post-décharge micro-ondes d'azote. L'effet des paramètres du plasma froid sur les propriétés du revêtement, sur la topographie de la surface et sur l'adhésion des cellules Salmonella enterica a été étudié. Les résultats ont révélé que la topographie de la surface influençait de façon significative le taux d'adhésion des bactéries. En effet, les surfaces rugueuses n'ont pas inhibé l’adhésion de Salmonella enterica puisque le nombre de cellules adhérant à ces surfaces variait de 30 ± 4 à 65 ± 4 bactéries par champ microscopique. En revanche, un comportement anti-adhésif vis-à-vis de Salmonella enterica a été mis en évidence pour les surfaces plus lisses. En effet, le nombre de cellules attachées était proche de zéro sur ces revêtements. Une approche complémentaire à cette stratégie passive d'élaboration de surfaces anti-adhésives est le développement de surfaces actives. Les technologies émergentes de revêtements antimicrobiens actifs et efficaces permettent de relever le défi de l'élimination des biofilms pathogènes formés sur les matériaux utilisés dans les milieux hospitaliers et agroalimentaires. L'acier inoxydable est un matériau couramment utilisé dans ces domaines, mais il possède malheureusement des propriétés bio-fonctionnelles insuffisantes, ce qui le rend susceptible à l'adhésion bactérienne et au développement de biofilms. Dans ce contexte, cette thèse présente une revue des revêtements développés en employant des biocides et des peptides antimicrobiens (AMPs) greffés sur l'acier inoxydable. De plus, une nouvelle approche active basée sur l'acier inoxydable revêtu de nisine, un AMP commun accepté comme une alternative sûre pour prévenir le développement de biofilms pathogènes, est développée. Dans cette etude, des surfaces en acier inoxydable ont été fonctionnalisées par la nisine qui a été greffée à la surface soit via son groupe carboxylique ou via son groupe amino. En effet, les surfaces revêtues de nisine greffée via son groupe aminé ont montré une puissante activité antibactérienne tandis que la surface greffée avec la nisine liée par son groupe carboxyle n'a montré aucun effet antimicrobien. Les analyses des propriétés de surface ont permis de mieux comprendre les effets antibactériens, les caractéristiques chimiques et topographiques des surfaces traitées ainsi que la configuration et la quantification de la nisine.


  • Résumé

    The operating environment in the food and medical fields allows bacteria to attach and grow on surfaces, resulting in the formation of pathogenic and resistant bacterial biofilms. These pathogenic structures are responsible for several foodborne illnesses and hospital-acquired infections. Therefore, to fight this public health scourge, one possible approach is the use of cold plasma technologies for the development of coatings on different materials. This work presents the different factors influencing bacterial adhesion to a substrate. In addition, strategies for the development of passive coatings to prevent biofilm formation by cold plasma surface treatments are described as well as the anti-adhesive properties of the developed surfaces. General aspects of coating, including physicochemical surface modifications and the use of cold plasma technologies, are also presented. In this context, a study was conducted to inhibit the adhesion of the pathogenic bacterium Salmonella enterica to the surface of stainless steel via cold plasma treatment. In order to limit the formation of Salmonella enterica biofilm, organosilicon coatings based on the monomer 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane, mixed or not with oxygen, were elaborated by plasma polymerization with post-microwave nitrogen discharge. The effect of cold plasma parameters on coating properties, surface topography, and Salmonella enterica cell adhesion was studied. The results revealed that the surface topography significantly influenced the adhesion rate of bacteria. Indeed, rough surfaces did not inhibit Salmonella enterica adhesion as the number of cells adhering to these surfaces varied from 30 ± 4 to 65 ± 4 bacteria per microscopic field. On the other hand, an anti-adhesive behaviour towards Salmonella enterica was demonstrated for the smoother surfaces. Indeed, the number of attached cells was close to zero on these coatings. A complementary approach to this passive strategy of anti-adhesive surfaces is the development of active surfaces. Emerging technologies for effective active antimicrobial coatings are addressing the challenge of eliminating pathogenic biofilms formed on materials used in hospital and food processing environments. Stainless steel is a commonly used material in these fields, but unfortunately it has insufficient bio-functional properties, making it susceptible to bacterial adhesion and biofilm development. In this context, this thesis presents a review of coatings developed by employing biocides and antimicrobial peptides (AMPs) grafted onto stainless steel. In addition, a new active approach based on stainless steel coated with nisin, a common AMP accepted as a safe alternative to prevent the development of pathogenic biofilms, is developed. In this study, stainless steel surfaces were functionalized by nisin which was grafted to the surface either via its carboxyl group or via its amino group. Indeed, the surfaces coated with nisin grafted via its amino group showed a potent antibacterial activity while the surface grafted with nisin linked via its carboxyl group showed no antimicrobial effect. Analyses of the surface properties provided insight into the antibacterial effects, chemical and topographical characteristics of the treated surfaces, and the configuration and quantification of nisin.


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