Pour la lutte contre les biosalissures : exploration de nouvelles surfaces anti-adhésives et bioactives

Designing bioactive surfaces to struggle biofouling

• Auteur / Autrice : Zibin Nan
• Direction : Didier Combes, Mickaël Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 09/06/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Philippe Schmitz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Combes, Mickaël Castelain, Marianne Graber, Marie-Noëlle Bellon-Fontaine, Pascal Tristant, Claire Tendero, Thierry Benezech
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marianne Graber, Marie-Noëlle Bellon-Fontaine, Pascal Tristant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse en composantes principales

Protéines

Microorganismes -- Adhésivité

Salissures biologiques

Mots clés libres

Biofouling

Cisaillement

Revêtements antisalissures

Adhésion microbienne

Adsorption de protéines

Chambre à écoulement cisaillé

Analyse en composantes principales

Biofouling

Antifouling coatings

Microbial adhesion

Shear stress flow chamber

Principal Component Analysis

Protein adsorption

Shear flow

Résumé

Le biofouling est une accumulation d'organismes sur des surfaces naturelles ou artificielles, ce qui entraîne des inconvénients majeurs dans la plupart des cas. Il est également appelé biofilm au stade primaire. Ce biofilm, principalement composé de communautés de microorganismes, débute par une adsorption de macromolécules (par exemple :protéine, lipide) en tant que film primaire conditionnant. Pour lutter contre ce problème et mieux comprendre le mécanisme de l'adhésion microbienne, différents types de surfaces sont proposés pour évaluer leurs propriétés adhésives dans une chambre à écoulement cisaillé. Il s’agit de:i) revêtements en couche mince de dioxyde de titane (TiO2), d'oxyde d'aluminium (Al2O3) et de parylène C sur de la silice fondue (f-SiO2) en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)ii) fonctionnalisation bioactive qui consiste à immobiliser une protéine, la subtilisine, sur un substrat de silice fondue en utilisant un procédé de réticulation.iii) matériaux composites constitués d’une matrice de polythiouréthane (PTU) contenant soit des particules sphériques d'oxyde de zinc (s-ZnO), soit des particules tétrapodales d'oxyde de zinc (t-ZnO) à diverses concentrations massiquesPour les revêtements en couche mince, notre intérêt se concentre sur leurs caractéristiques physico-chimiques de surface qui influencent le développement du film conditionnant et l'adhésion microbienne qui en résulte (modélisée par deux types de microbilles de polystyrène fonctionnalisées), tandis que la silice fondue nue est utilisée comme contrôle. Parmi la rugosité, l'hydrophobicité et le potentiel zêta de la surface, l'hydrophobicité est considérée comme le facteur déterminant de l'adhésion microbienne par l'analyse en composantes principales (ACP), suivie par la rugosité, alors que le potentiel zêta (mesure globale de la charge de surface) apparaît plus faiblement corrélé. Cependant, la distribution électronique qui résulte de la nature des liaisons des matériaux considérés doit influencer localement la façon dont la protéine s’adsorbe (nature de la liaison crée avec la surface, conformation de la protéine et donc encombrement stérique) et affecter ainsi l’adhésion microbienne qui s’ensuit. Selon la nature de la surface (et donc des liaisons) la présence du film conditionnant a une influence différente : elle augmente drastiquement l’adhésion des microbilles sur silice fondue mais pas sur les revêtements en couches minces. Cette influence de la distribution locale des charges est une possible explication à l’adhésion systématiquement plus forte des billes chargées négativement.Pour la fonctionnalisation bioactive, les impacts de la subtilisine immobilisée sur l'adsorption des protéines et l'adhésion microbienne (en utilisant des microbilles et le phénotype hydrophile de la levure Saccharomyces cerevisiae) sont également étudiés. Les résultats montrent que la subtilisine est capable d'empêcher l'adsorption des protéines puis l’adhésion microbienne, mais n'influence pas la propriété adhésive de la surface du substrat. Il est également important de noter que les cellules hydrophiles présentent une adhésion généralement plus faible que les microbilles hydrophobes, ce qui souligne le rôle crucial de la réaction hydrophobe dans l'adhésion microbienne.Enfin, pour les matériaux composites aussi bien que le PTU pur (en comparaison avec une surface modèle de PDMS) une diminution significative de l’adhesion microbienne a été observée, tant à l’échelle de la cellule par microscopie à force atomique sur deux souches pathogènes, qu’à celle d’une population en chambre à écoulement cisaillée sur des microbilles. Cette tendance est d’autant plus forte que la concentration de particules de ZnO de morphologie tétrapode est élevée.

Biofouling is a ubiquitous accumulation of organisms on natural or artificial surfaces, which leads to unexpected disadvantages in most cases. It is also named biofilm in the pre-mature stage, mainly composed with microorganism communities in presence of previous macromolecule adsorption (e.g., protein, lipid) as conditioning film. To struggle this issue and better understand the mechanism of microbial adhesion, different types of surface are proposed to evaluate their adhesion properties using shear-stress flow chamber in this manuscript, including:i) thin film deposition of titanium dioxide (TiO2), aluminum oxide (Al2O3) and parylene C on fused silica (f-SiO2) using chemical vapor deposition (CVD) methodii) bioactive functionalisation as subtilisin-immobilized fused silica using cross-linking methodiii) composite materials of polythiourethane (PTU) matrix containing either spherical zinc oxide (s-ZnO) particles or tetrapodal zinc oxide (t-ZnO) particles in various concentrations as fillersFor thin coatings, our interest focusses on in what extent their surface physicochemical characteristics influence the growth of conditioning film and subsequent microbial adhesion (modelled by two types of functionalized polystyrene microbeads), where bare fused silica was applied as control. Among surface roughness, surface hydrophobicity and surface zeta potential, the hydrophobicity is considered as the driving factor for microbial adhesion through Principal Component Analysis (PCA), followed by the roughness, whereas the zeta potential appears less correlated. However, the surface charge distribution resulted from the nature of chemical bonds in each material may contribute to the variation of adsorption behaviours and probably alter the protein conformation on the surface. Thus, the protein composed conditioning film affects the later microbial adhesion differently, where extra iono-covalent bonds provided by protein lead to a significant increase of microbial adhesion on originally covalent fused silica but not on thin film coatings. This also explains the more stable adhesion of negatively charged microbeads.For bioactive functionalisation, the impact of immobilized subtilisin on protein adsorption and microbial adhesion (using microbeads and hydrophilic phenotype of yeast Saccharomyces cerevisiae) are both studied. The results indicate that subtilisin prevents from protein adsorption and subsequent enhanced microbial adhesion. Additionally, a control experiment shows that the immobilized enzyme did not alter the surface properties of the substrate. It is also important to note that hydrophilic cells exhibit a generally weaker adhesion than hydrophobic microbeads, which emphasizes the crucial role of hydrophobic reaction in microbial adhesion.For both composite materials and pure PTU a significant reduction of the adhesion of microorganisms in single cell level compared to polydimethylsiloxane (PDMS) was observed. The reduction was more pronounced with a higher concentration of fillers, particularly in the case of 5 wt.% t-ZnO (tetrapodal morphology). Within the PTU variations, such reduction was also observed in the population level with polystyrene microbeads.