Surfaces biomimétiques : copier la nature pour dissuader les bactéries et garder les coques de navires lisses

Vous ne pensez peut-être pas que garder une coque de bateau lisse dans l’eau ait quelque chose en commun avec garder un scalpel propre pour une intervention chirurgicale, mais c’est le cas : dans les deux cas, vous essayez d’empêcher la nature – les balanes ou le biofilm – de se développer sur une surface. . La science s’est tournée vers la nature et a découvert que les micro-motifs formés par les écailles de certains requins ou les feuilles de lotus démontrent une manière très élégante d’empêcher l’encrassement biologique que nous pouvons copier.

Dans le cas d’une croissance marine se fixant et se développant sur la coque d’un navire, le principal problème est celui de l’augmentation de la traînée. Cela augmente la consommation de carburant et réduit l’efficacité globale du navire, nécessitant un nettoyage régulier pour éliminer cet encrassement biologique. Dans le contexte d’un hôpital, cette couche de croissance devient encore plus cruciale. Chaque année, un grand nombre de patients hospitalisés souffrent d’infections, malgré l’utilisation de cathéters à usage unique et d’emballages stériles.

Formation de biofilm

5 étapes de développement du biofilm.  Stade 1, attachement initial ;  stade 2, attachement irréversible ;  stade 3, maturation I;  stade 4, maturation II;  étape 5, dispersion.  Chaque stade de développement dans le diagramme est associé à une photomicrographie d'un biofilm de Pseudomonas aeruginosa en développement.  Toutes les photomicrographies sont présentées à la même échelle.La formation de biofilms remonte aux premiers jours de la vie procaryote, comme en témoignent les preuves fossiles sous forme de stromatolites. À la base, ces biofilms semblent être un mécanisme défensif que les espèces procaryotes ont initialement développé pour faire face à des environnements difficiles, tout en permettant la formation de colonies procaryotes florissantes. Ces colonies peuvent également permettre la croissance de formes de vie plus complexes.

Au fil du temps, les formes de vie eucaryotes adopteraient une stratégie similaire, où après l’attachement initial à une surface, une matrice extracellulaire serait créée. Ces colles et structures biologiques offrent aux organismes une protection contre la dessiccation et la prédation, ainsi que contre d’autres influences potentiellement nocives.

Dans un environnement marin, ces biofilms fournissent aux formes de vie multicellulaires non seulement une surface pour se fixer également, mais également un écosystème d’accompagnement. Dans le cas des balanes, par exemple, la présence et le type de biofilm sont primordiaux dans la sélection d’un site de fixation spécifique lorsqu’un jeune cypride balane passe à son état adulte immobile. Des schémas similaires sont observés avec d’autres espèces marines, dont le résultat est un écosystème florissant, même s’il n’est pas souhaité, sur la coque d’un navire.

Étant donné que la formation d’un biofilm ne nécessite que quelques traces d’humidité en présence de bactéries et de parents, il est probable que lors de la fabrication ou de l’utilisation d’un équipement médical, une surface soit contaminée par un biofilm. Les biofilms permettent aux bactéries et autres agents pathogènes de survivre pendant de longues périodes sur les surfaces, de sorte que les manquements à l’hygiène constituent des vecteurs de risque importants.

La nocivité exacte d’un tel biofilm dépend des bactéries exactes et des autres occupants qui s’y trouvent, ainsi que de l’emplacement de ce biofilm. Lorsque les bactéries SARM trouvent leur chemin vers une intubation ou un tube IV, cela peut fournir à ces agents pathogènes une voie directe dans le corps d’un patient, formant des biofilms dans tout le tube à l’intérieur. Une fois à l’intérieur du corps, ils procéderont ensuite à la formation de biofilms, dans le cadre de leurs stratégies de protection contre des menaces telles que le système immunitaire du patient et les antibiotiques.

La stratégie optimale est donc d’empêcher la formation de ces biofilms en premier lieu, idéalement en empêchant la colonisation de surface initiale .

Vous n’attacherez pas

Écailles placoïdes vues au microscope électronique.  Aussi appelés denticules dermiques, ils sont structurellement homologues aux dents des vertébrés.
Écailles placoïdes vues au microscope électronique. Aussi appelés denticules dermiques, ils sont structurellement homologues aux dents des vertébrés.

Un aspect intéressant de l’évolution est qu’elle cherche à résoudre bon nombre des mêmes problèmes que nous cherchons à résoudre aujourd’hui. Pour les animaux marins, avoir des biofilms et autres excroissances sur leur peau est évidemment problématique, car pour eux cela signifie une augmentation de la traînée, tout comme pour un navire. Cela signifie que l’animal dépensera plus d’énergie en nageant, en plus de la possibilité de développer des maladies de la peau et d’autres maladies en raison de la proximité de tant de bactéries.

De nombreux animaux marins se frottent contre les rochers, entretiennent des relations symbiotiques avec des espèces de poissons qui nettoient la peau ou utilisent le même processus de perte et de remplacement de la peau que les espèces terrestres. L’approche la plus intéressante, cependant, implique la micro-structuration qui rend l’étape de colonisation initiale faisant partie de la formation d’un biofilm essentiellement impossible.

Alors que les écailles sont très courantes chez les animaux marins et autres, les écailles de requins et de raies sont uniques dans leurs motifs microscopiques. Dans les tests expérimentaux montrent un manque distinct de formation de biofilm. C’est l’une des méthodes antisalissures décrites par Damodaran et al. (2016) dans Recherche sur les biomatériaux. Il résume les approches suivantes :

  1. Molécules biologiques :
    1. Agents libérant de l’oxyde nitrique.
    2. Surfaces modifiées peptidiques et peptoïdes.
  2. Modification chimique des surfaces :
    1. Polymères hydrophiles.
    2. Immobilisation du PEG.
    3. Polymères zwitterioniques.
    4. Polymères hydrophobes.
  3. Micropatternisation de surfaces :
    1. Effet lotus.
    2. Motifs en peau de requin.

En termes de ce que nous pouvons copier de la nature, les molécules biologiques et les approches de modification de surface sont confrontées à des coûts élevés, à une durée de vie limitée et à une applicabilité limitée en termes de types de bactéries qu’elles affectent. Les problèmes de toxicité concernent les polymères hydrophobes.

Tiré de Damodaran et al.  (2016).
Tiré de Damodaran et al. (2016).

Cela laisse le micropatterning. Plutôt qu’une substance qui doit être synthétisée et appliquée régulièrement, ces micro-motifs peuvent être gravés dans une surface, la durée de l’effet dépendant de la durabilité du matériau dans lequel le motif a été gravé. Il est également possible d’utiliser des motifs auto-assemblés, par exemple dans les peintures contenant des nanoparticules.

Tiré de Damodaran et al.  (2016).
Tiré de Damodaran et al. (2016).

Pour l’application coque de bateau, les écailles placoïdes des requins sont particulièrement intéressantes. Ils semblent non seulement empêcher les bactéries de se fixer, mais également réduire la traînée en perturbant le flux laminaire près de la peau. Il est probable que cette réduction de la traînée ait été un facteur évolutif pertinent dans le développement de ces denticules dermiques, et elle fournit également un aspect intéressant concernant ce type d’antifouling – les micro-modèles sont censés réduire la traînée de la coque d’un navire au-delà d’une coque « propre ». .

Mise à l’échelle

Comme pour beaucoup de ces techniques antisalissures, les principaux problèmes sont de les adapter à des niveaux économiquement réalisables et de les faire durer. À l’heure actuelle, l’effet lotus est le plus couramment utilisé, car son motif se répétant régulièrement se prête bien à une utilisation dans tout, des tuiles et des tissus aux peintures. L’application de surfaces autonettoyantes dans les environnements extérieurs va de soi, car cela empêche l’accumulation d’algues et de lichens, et résiste également à des choses comme les graffitis.

Le motif en forme de peau de requin est un peu plus compliqué, car il implique un motif plus complexe qui ne se prête pas aussi facilement à l’auto-assemblage. La version commercialisée la plus connue de cette technologie se trouve probablement dans le Sharklet matériau vendu par Sharklet Technologies et leur micro-motif breveté. Ils ciblent principalement les hôpitaux et les environnements similaires pour leur produit, et une série d’études montrent également leur efficacité dans le contexte de la prévention des réactions aux corps étrangers avec des implants neuraux.

Une chose que les coques de navires et les tubes médicaux ne peuvent pas encore faire est de faire pousser des denticules dermiques comme la peau de requin le peut. Le requin rafraîchit continuellement sa surface de peau. Il est probable qu’une combinaison d’approches restera nécessaire pour lutter contre l’encrassement biologique, bien que nous verrons très probablement le micropatterning être utilisé plus couramment à l’avenir pour un monde plus propre et plus sûr qui soit moins pénible.