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Theses Year : 2009

Evaluation of anti-adhesive and biocide properties of nanocomposite films with silver inclusions, deposited on stainless steel by a plasma process

Evaluation des propriétés anti-adhésives et biocides de films nanocomposites avec inclusions d'argent, déposés sur acier inoxydable par procédé plasma

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Abstract

In the biomedical domain and the food industry, microbial adhesion to surfaces generates multiple negative consequences, in terms of human health, hygiene and safety of processed food. In this context, our approach is based on developing a 316L stainless steel surface treatment, to prevent microbial colonization. The surface modifications, mediated by chemical or physical treatment, did not promote Saccharomyces cerevisiae detachment, evaluated in vitro using a shear stress flow chamber. The interactions between the microbial surface and metallic elements of the passive film were hypothesized to play a predominant role in this strong adhesion. An original and dual strategy, based on a plasma process associating hexamethyldisiloxane polymerization and silver target bombardment in an asymmetrical radiofrequency discharge, was carried out and optimized. Stainless steel surfaces were thus coated with nanocomposite thin films (~ 175 nm), composed of an organosilicon matrix, exhibiting anti-adhesive properties towards S. cerevisiae, in which were embedded silver nanoparticles, displaying a high antimicrobial reactivity. A large set of complementary analytical techniques, operating at different scales, was used to correlate nanocomposite film characteristics with their anti-adhesive and antimicrobial efficiency. A total inhibition of yeast cell adhesion was achieved, by increasing the matrix polar character, through oxygen addition during the plasma process. In parallel, a 1.9 log reduction in viable counts was achieved for sessile yeast cells. Further experiments were dedicated to the thorough understanding of cellular changes induced by silver release. A deterioration of the secondary structure of proteins (cell wall, intracellular), combined with ultra-structure alterations, was observed. In addition, the biocide activity of the nanocomposite film was confirmed against two prokaryotic models (Staphylococcus aureus and Escherichia coli). The necessity of a direct contact between microorganisms and coating was demonstrated for a maximal antimicrobial efficiency. Lastly, the durability of the coating properties was assessed through a repeated use of the nanocomposite films. A decrease in the antifungal activity, coupled to an anti-adhesive property enhancement, was noticed and explained by the silver release during the first use.
Dans le secteur biomédical et l’industrie agro-alimentaire, l’adhésion de microorganismes contaminants aux surfaces engendre de multiples impacts négatifs, à la fois en termes de santé publique, d’hygiène et de sécurité alimentaire. Dans ce contexte, l’objectif de l’étude est de mettre au point un traitement de surface de l’acier inoxydable 316L, afin de prévenir la colonisation microbienne. La modification des surfaces d’acier par traitement chimique ou physique n’a eu aucune incidence sur le détachement de Saccharomyces cerevisiae, évalué in vitro à l’aide d’une chambre à écoulement cisaillé. Les interactions entre la surface microbienne et les éléments métalliques du film passif semblent jouer un rôle prépondérant dans cette forte adhésion. Une stratégie originale, basée sur un procédé plasma couplant la polymérisation d’hexaméthyldisiloxane au bombardement d’une cible d’argent dans une décharge asymétrique radiofréquence, a ensuite été mise en oeuvre et optimisée. Les surfaces d’acier ont ainsi été recouvertes de films minces (~ 175 nm) nanocomposites, constitués d’une matrice organosiliciée, présentant des propriétés anti-adhésives vis-à-vis de S. cerevisiae, dans laquelle ont été incluses des nanoparticules d’argent, dotées d’une forte réactivité antimicrobienne. Le couplage de techniques d’analyse complémentaires, opérant à différentes échelles, a permis de corréler les caractéristiques des films nanocomposites à leur efficacité anti-adhésive et antifongique. Une inhibition totale de l’adhésion des levures a ainsi été obtenue, en augmentant le caractère polaire de la matrice, par ajout d’oxygène dans le plasma. En parallèle, un abattement de la viabilité de 1,9 log a été atteint sur les levures sessiles. La suite de l’étude a été dédiée à la compréhension des mécanismes d’action de l’argent, impliqués dans l’activité antifongique des films nanocomposites. Une inactivation de certaines protéines pariétales et intracellulaires, corrélée à des altérations de l’ultra-structure cellulaire, a ainsi été mise en évidence. La confirmation de l’activité biocide des films nanocomposites, sur deux modèles procaryotes (Staphylococcus aureus et Escherichia coli), a révélé par ailleurs la nécessité d’un contact étroit entre microorganismes et revêtement. Enfin, la stabilité des propriétés des films nanocomposites a été évaluée. Une utilisation répétée des dépôts a mis en évidence une réduction de l’activité antifongique, corrélée à une augmentation de l’efficacité anti-adhésive, liée au relargage d’argent lors de la première utilisation.
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Cite

Claire Saulou-Berion. Evaluation des propriétés anti-adhésives et biocides de films nanocomposites avec inclusions d'argent, déposés sur acier inoxydable par procédé plasma. Microbiologie et Parasitologie. Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01562895⟩
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