Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La protection des surfaces contre la contamination bactérienne est révélée un enjeu principal dans notre vie quotidienne. La présente étude entre dans ce créneau de recherche et vise à développer des surfaces antibactériennes basées sur l’exploitation de la propriété superhydrophobe comme une première barrière contre la colonisation de surface par les agents pathogènes véhiculés par l’eau. De plus, une fois cette barrière est franchie, les surfaces développées réagissent pour neutraliser l’agent pathogène grâce à un agent antibactérien très efficace inclus dans leurs conceptions. Dans le premier volet, différentes approches ont été suivies pour le développement de ces surfaces. Les surfaces antibactériennes ont été développées sur les substrats en aluminium, elles se basent sur des procédés chimiques pour la création des micro-nanotextures. Les textures ainsi crées ont été caractérisées par la microscopie électronique à balayage pour suivre la genèse de la texture adéquate qui aboutit à la surface superhydrophobe en fonction du temps de traitement avec l’acide HCl. Les substrats en aluminium ont été revêtues par une formulation d’un fluoroalkyl silane le trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) silane (PF), qui joue le rôle du revêtement hydrophobe et une huile essentielle d’eucalyptus (ECA), comme un agent antibactérien. Les surfaces obtenues ont montré des angles de contact de plus de 150° et des angles de glissement inférieur à 10° avec les textures générées pendant 15 min de traitement d’acide à 15% (V/V). L’évaluation de l’activité antibactérienne a été réalisée en premier lieu pour les composantes formant les surfaces séparément ce qui montre le pouvoir bactéricide de l’huile essentielle et du PF. Les tests d’antibiofouling menés directement sur les surfaces confirment leurs activités antibactériennes en assurant une première barrière antibactérienne basée sur le caractère de non-mouillabilité de la surface. Dans un deuxième volet, l’agent antibactérien est incorporé dans une matrice de polydimethylsiloxane (PDMS), vu que la barrière de superhydrophobicité pourrait être franchit une fois la surface est détruite ou même déposée à l’horizontale, là-où l’angle de glissement ne permet pas l’antibiofouling de la gouttelette d’eau contaminée. Dans cette condition, la bactérie pourrait envahir la surface s’il n’y a pas un agent bactéricide qui fonctionnera pour neutraliser la bactérie. Le deuxième type de surface développé dans cette thèse fonctionne selon un mode hybride pour exercer son pouvoir antibactérien et les surfaces entreront en fonction lorsque la bactérie aura réussi à se déposer sur la surface, à ce moment-là, l’huile essentielle neutralise la bactérie et empêche la colonisation de la surface. Le pouvoir antibactérien des surfaces à base de PDMS a été évalué par des tests antibactériens en utilisant deux souches bactériennes modèles ; Escherichia Coli qui représente le modèle des souches à Gram négatif et Bacillus aureus représentant les souches à Gram positif. Les surfaces ainsi développées ont été caractérisées comme des surfaces non-mouillables antibactériennes. Ces résultats ont été confirmés par des tests microbiologiques. En effet, le test d’envahissement montre que les surfaces à PDMS-ECA possèdent un effet inhibiteur des cercles de colonisation des bactéries. Le test de croissance réalisé avec la continuité des stries bactériennes montre que les surfaces constituées avec l’huile essentielle présentent des stries bactériennes discontinues ce qui prouve l’affaiblissement de la bactérie sur ce type de surfaces. D’autres conceptions de surfaces ont été réalisés pour améliorer le mode de fonctionnement des surfaces antibactériennes et qui sont décrites dans deux annexes. La première annexe résume des essais d’encapsulation de l’huile essentielles pour avoir un mode de libération contrôlé. La deuxième annexe décrit les surfaces à base de PDMS se servant de la formulation composée d’huile de siloxane et de l’huile essentielle comme agent antibactérien qui se diffuse pour empêcher la colonisation bactérienne de la surface.

The protection of surfaces against bacterial contamination is revealed as a main issue in our daily life. The present project falls into this research niche and aims to summarize the development of antibacterial surfaces based on the exploitation of the superhydrophobic property as a first barrier against surface colonization by pathogens carried by water. Once this barrier is crossed, the surfaces developed will contain in their designs a very effective antibacterial agent which reacts to neutralize the pathogen. In the first part, different approaches were followed for the development of these surfaces. Antibacterial surfaces have been developed on aluminum substrates; they are based on chemical processes for the creation of micro-nanotextures. The created textures were characterized by scanning electron microscopy to follow the genesis of the adequate texture which leads to the superhydrophobic surface as a function of the etching time with the HCl acid. The aluminum substrates were coated with a formulation of a fluoroalkyl silane (trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) silane) noted in the text by PF, which acts as the hydrophobic coating and an essential oil (eucalyptus) noted ECA, as an antibacterial agent. The surfaces obtained showed contact angles of more than 150° and sliding angles of less than 10° with the textures generated during 15 min of 15% acid treatment. Firstly, the evaluation of the antibacterial activity was carried out for the components forming the surfaces separately, which shows the bactericidal effect of the essential oil and the PF. The antibiofouling tests carried out directly on surfaces confirm their antibacterial activities by providing a first antibacterial barrier based on the non-wetting character of the surface. In the second step, the antibacterial agent is incorporated into a PDMS matrix, since the superhydrophobicity barrier could be crossed once the surface is destroyed or even deposited horizontally, where the sliding angle does not allow the antibiofouling of the contaminated water droplet. In this condition, the bacteria could invade the surface if there is not a bactericidal agent that will work to neutralize the bacteria. The second conception of the developed surfaces use a hybrid mode to apply its antibacterial effect and the surfaces become operating once the bacteria have managed to settle on the surface, at that time the essential oil neutralizes the bacteria and prevents surface colonization. The antibacterial power of PDMS-based surfaces was characterized by antibacterial tests with two model bacterial strains; Escherichia coli which represents the model of Gram-negative strains and Bacillus aureus representing Gram-positive strains. The surfaces thus developed were characterized as antibacterial non-wettable surfaces. Other surface designs have been made to improve the antibacterial surfaces acting mode and are described in two appendixes. The first appendix was reserved for encapsulation tests of essential oil to give a possibility for a controlled release mode. In the second appendix, we attempt to achieve slippery surfaces by making a formulation between siloxane oil and essential oil and then inserting it into a PDMS matrix. The antibacterial agent works by diffusing from the PDMS matrix to prevent bacterial colonization of the surface.