Ces travaux portent sur l’élaboration de surfaces antimicrobiennes à base de nanomatériaux carbonés (NMC). Pour ces travaux des nanotubes de carbone double parois bruts et oxydés (respectivement DWNTs B et DWNTs Ox), du graphène à quelques feuillets (Few Layer Graphene, FLG) ainsi que du graphène oxydé (GO) ont été sélectionnés car ce sont les nanoparticules de carbone les plus mentionnées dans la bibliographie pour leur activité antimicrobienne. La première partie de ces travaux détaille l’élaboration de surfaces antimicrobiennes par dépôt de NMC sur du silicone. Les échantillons ont été élaborés par méthode de spray coating, c’est-à-dire que les suspensions de NMC ont été pulvérisées à l’aide d’un aérographe sur le support silicone. Nous avons optimisé les paramètres de dépôt avec pour objectif de bloquer les NMC en surface du silicone (afin d'assurer une activité durable dans le temps et s’affranchir de problèmes éventuels de toxicité liés à des NMC relargués), tout en permettant aux NMC d’affleurer en surface du silicone pour permettre des contacts avec les microorganismes environnants. La preuve de concept obtenue tout d'abord sur silicone très utilisé en microélectronique et en microfluidique (Sylgard 184) a ensuite été étendue à un silicone de grade biomédical (Nusil, MED-4917).
Les caractérisations MEB, AFM et Raman réalisées sur les dépôts sur ces deux silicones mettent bien en évidence l'ancrage efficace des NMC en surface du matériau, avec une partie clairement émergente.. Cependant les limites des techniques de caractérisations utilisées ne permettent pas d'exclure l’absence d’une fine couche de silicone recouvrant les NMC en surface. Dans le contexte de la crise sanitaire lié à la COVID-19 et en particulier des questions qui se sont posées par rapport à des masques respiratoires contenant du "graphène", nous avons aussi souhaité évaluer l'activité des NMC dans ce cadre après dépôt par la même approche sur un masque chirurgical commercial de type FFP1.
La deuxième partie de ces travaux concerne les tests d’activité antimicrobienne des surfaces traités par dépôt de NMC. Des tests d’activité antibactérienne (CFU) ont été réalisés sur les différents NMC en suspension ainsi que sur les dépôts de NMC sur les deux silicones étudiés, en utilisant comme modèles les souches bactériennes P. aeruginosa (Gram -) et S. aureus (Gram +). Aucun NMC en suspension n’a présenté d’activité antibactérienne tandis que les dépôts de GO sur silicone et de DWNTs Ox sur silicone ont exprimé une activité significative contre les souches P. aeruginosa et S. aureus, respectivement. L’activité antivirale des différents matériaux (silicones, masque respiratoire) traités par dépôt de NMC, ainsi qu'un masque au "graphène" commercial, a été testée contre une souche SARS-CoV-2 selon la méthode TCID50. Aucune activité antivirale significative liée à la présence des NMC n'a pu être mise en évidence dans nos conditions expérimentales.
Les travaux effectués au cours de cette thèse ont permis de proposer un protocole d’élaboration respectant le principe "safer by design", permettant de bloquer des nanoparticules de carbone en surface de silicone tout en leur permettant d’émerger du polymère, et pouvant être appliqué sur plusieurs supports. Le dépôt par aérographe permet aussi de limiter très significativement la quantité nécessaire de NMC. Cependant la présence ou absence d’une fine couche de silicone recouvrant les nanoparticules n’a pas pu être vérifiée. Les différents résultats des tests antimicrobiens suggèrent que les fonctions oxygénées, la morphologie des nanoparticules ainsi que leur ancrage en surface des matériaux jouent un rôle clef dans l’activité antibactérienne mise en évidence. |
This work focuses on the development of antimicrobial surfaces based on carbon nanomaterials (CNMs). For this work, raw and oxidized double-walled carbon nanotubes (respectively DWNTs B and DWNTs Ox), Few Layer Graphene (FLG) as well as oxidized graphene (GO) have been selected because they are the most mentioned carbon nanoparticles in the literature for their antimicrobial activity. The first part of this work details the elaboration of antimicrobial surfaces by deposition of CNMs on silicone. The samples were elaborated by spray coating method, i.e. the CNMs' suspensions were sprayed with an airbrush on the silicone support. We optimized the deposition parameters aiming at blocking the NMCs at the surface of the silicone (in order to ensure a durable activity over time and to avoid possible toxicity issues related to released CNMs), while allowing the CNMs to be anchored at the surface of the silicone to allow contacts with the surrounding microorganisms. The proof of concept obtained first on a silicone widely used in microelectronics and microfluidics (Sylgard 184) was then extended to a biomedical grade silicone (Nusil, MED-4917).
SEM, AFM and Raman characterizations performed on the deposits on these two silicones clearly show the efficient anchoring of the CNMs at the surface of the material, with a clearly emergent part. However, the limits of the characterization techniques used do not allow to exclude the absence of a thin layer of silicone covering the CNMs on the surface. In the context of the COVID-19 pandemic and in particular of the questions which arose in relation to respiratory masks containing "graphene", we also wished to evaluate the activity of the CNMs in this framework after deposition by the same approach on a commercial FFP1 surgical mask.
The second part of this work details the tests of antimicrobial activity of surfaces prepared by CNMs deposition. Antibacterial activity assay (CFU) was performed on the different CNMs in suspension as well as on the CNMs' deposits on the two silicones investigated, using as models the bacterial strains P. aeruginosa (Gram -) and S. aureus (Gram +). No CNM in suspension exhibited antibacterial activity while the deposits of GO or DWNTs Ox on both silicones expressed significant activity against P. aeruginosa and S. aureus strains, respectively. The antiviral activity of the different materials (silicones, respiratory mask) treated by deposition of CNMs, as well as a commercial "graphene" mask, was tested against a SARS-CoV-2 strain using the TCID50 assay. No significant antiviral activity linked to the presence of CNMs could be evidenced.
The work carried out during this thesis has allowed us to propose an elaboration protocol respecting the "safer by design" principle, allowing the anchoring of carbon nanoparticles at the surface of two different silicones, while allowing them to emerge from the polymer, and being able to be applied on several supports. Airbrush deposition also allowed to significantly limit the amount of required CNMs. However, the presence or absence of a thin silicone layer covering the nanoparticles could not be verified. The different results of the antimicrobial assays suggest that the surface oxygen-containing functions, the morphology of the nanoparticles as well as their anchoring on the surface of the substrate all play a key role in the observed antibacterial activity while the antiviral activity does not seem to be significant, at least in the tested conditions. |