Fonctionnalisation de surface de l'alumine et son utilisation dans les matériaux antibactériens

Introduction

L'alumine (Al₂O₃), l'un des matériaux céramiques les plus populaires, possède la stabilité thermique, la résistance mécanique et l'inertie chimique souhaitées. L'alumine naturelle est biologiquement inactive, c'est-à-dire qu'elle est inactive sur le plan antibactérien. Au cours de la dernière décennie, la fonctionnalisation des surfaces s'est révélée être une méthode appropriée pour étendre l'utilisation de l'alumine à des applications biomédicales et hygiéniques, en particulier à des applications antibactériennes.

1. Aperçu des méthodes de fonctionnalisation de surface

La fonctionnalisation de surface est une méthode qui consiste à adapter la couche superficielle d'un matériau pour lui conférer de nouvelles propriétés chimiques, physiques ou biologiques sans affecter ses propriétés globales. Pour l'alumine, la fonctionnalisation est généralement utilisée pour améliorer la réactivité de la surface, contrôler la mouillabilité, ajouter de la biocompatibilité ou incorporer des fonctions antibactériennes actives.

1.1 Silanisation

La silanisationest l'immobilisation de molécules d'organosilane sur la surface hydroxylée de l'alumine. Les silanes peuvent être fonctionnalisés avec des groupes époxy, des thiols ou des amines qui servent d'ancrage pour d'autres modifications chimiques ou l'immobilisation de biomolécules. Le 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES) est un exemple d'introduction de groupes amines, qui permettent la fixation ultérieure de nanoparticules d'argent ou de composés d'ammonium quaternaire.

1.2 Traitement au plasma

Le traitement au plasma modifie l'énergie des surfaces et introduit des groupes fonctionnels (c'est-à-dire -OH, -COOH) par bombardement ionique à haute énergie. L'activation des surfaces par le plasma est réalisée sans solvants, ce qui est utile dans les applications biomédicales. Par exemple, le plasma d'oxygène améliore l'hydrophilie de l'alumine et l'adhérence des revêtements antibactériens.

1.3 Dépôt de couches atomiques (ALD)

L'ALD est utilisée pour déposer des films antibactériens ultraminces (par exemple, ZnO, TiO₂) avec une précision à l'échelle atomique sur des surfaces d'alumine poreuses ou denses. Le processus garantit un revêtement uniforme, même pour les géométries complexes telles que les échafaudages d'alumine poreuse pour les implants médicaux.

1.4 Assemblage couche par couche (LbL)

Le procédé LbL utilise le dépôt séquentiel de polyélectrolytes ou de nanoparticules de charge opposée pour créer des films multicouches. Ce procédé est particulièrement pratique pour immobiliser des molécules bioactives telles que le lysozyme ou des peptides antimicrobiens sur des surfaces d'alumine.

2. Mécanismes antibactériens basés sur la modification de la surface

L'alumine à surface modifiée présente une activité antibactérienne par les mécanismes suivants :

- Libération d'espèces antibactériennes (par exemple, Ag⁺, Zn²⁺) qui se diffusent dans les membranes des cellules bactériennes et inhibent l'activité enzymatique.

- Les surfaces qui tuent par contact, sur lesquelles des agents ancrés comme les composés d'ammonium quaternaire (QAC) interfèrent avec la stabilité de la membrane bactérienne lors du contact.

- Génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), en particulier à partir de revêtements photocatalytiques comme le TiO₂, qui endommagent les composants cellulaires tels que l'ADN et les protéines.

3. Études expérimentales et données

3.1 Alumine fonctionnalisée à l'argent

Dans Wang et al. (2019), des disques d'alumine ont été fonctionnalisés en surface avec des nanoparticules d'argent par silanisation APTES et réduction in situ de l'argent. La surface fonctionnalisée a tué S. aureus et E. coli à plus de 99,9% en 4 heures. L'imagerie MEB a révélé des dommages étendus à la membrane, et l'ICP-OES a révélé une libération soutenue d'Ag⁺ pendant plus de sept jours (Wang et al., 2019).

3.2 Revêtements d'oxyde de zinc par ALD

Zhao et al. (2021) ont recouvert des substrats d'alumine de films de ZnO par dépôt de couches atomiques. Le revêtement de ZnO à 50 cycles a supprimé 4 log de CFU de Pseudomonas aeruginosa après 6 heures d'incubation à l'obscurité, principalement par la libération d'ions de zinc. Les revêtements étaient hautement antibactériens avec une faible cytotoxicité contre les fibroblastes humains (Zhao et al., 2021).

3.3 Composites TiO₂-Alumine

Un article paru en 2020 dans Surface & Coatings Technology a démontré que les revêtements sol-gel de TiO₂ sur l'alumine étaient capables de réduire le nombre d'E. coli de plus de 95 % en 2 heures sous exposition à la lumière UV-A. L'activité photocatalytique a été possible grâce à l'application d'une couche d'oxyde d'aluminium sur l'aluminium. L'activité photocatalytique pouvait être répétée à travers des cycles répétés, et aucune lixiviation significative des ions de titane n'a été observée, conservant ainsi une activité à long terme (Chen et al., 2020).

4. Applications biomédicales et hygiéniques

Les céramiques d'alumine fonctionnalisées en surface trouvent leur place dans diverses applications. Les échafaudages d'alumine poreuse revêtus d'argent ou de ZnO sont utilisés dans les implants médicaux pour réduire les infections post-chirurgicales. Les surfaces d'alumine fonctionnalisées avec des agents antimicrobiens sont utilisées sur les outils chirurgicaux et les surfaces à fort contact dans les hôpitaux pour réduire le risque d'infection. Les membranes d'alumine fonctionnalisées avec des agents antimicrobiens sont utilisées dans les systèmes de filtration de l'eau pour assurer à la fois la filtration physique et l'inactivation bactérienne. Les surfaces revêtues de céramique antibactérienne sont utilisées dans l'industrie alimentaire pour améliorer l'hygiène du traitement et de l'emballage.

Conclusion

La fonctionnalisation des surfaces améliore considérablement l'utilité de l'alumine dans les systèmes antibactériens grâce à l'incorporation d'espèces chimiques actives et à la modification des caractéristiques de la surface. Bien étayées par des preuves expérimentales, les céramiques d 'alumine fonctionnalisées en surface sont de plus en plus intégrées dans les systèmes biomédicaux, environnementaux et sanitaires.

Questions fréquemment posées

1. Qu'est-ce que la fonctionnalisation de la surface de l'alumine ?

Il s'agit de la modification chimique de la surface de l'alumine pour y inclure des fonctionnalités antibactériennes ou autres.

2. Pourquoi l'alumine n'est-elle pas antibactérienne dans la nature ?

Parce qu'elle est chimiquement inerte et qu'elle ne possède pas de sites de surface biologiquement actifs.

3. Comment l'alumine est-elle fonctionnalisée ?

Les méthodes les plus courantes sont la silanisation, le traitement au plasma, l'ALD et le revêtement couche par couche.

4. Comment les bactéries sont-elles tuées ?

Par la libération d'ions (par ex. Ag⁺, Zn²⁺), le contact avec la surface ou la formation de ROS par des revêtements photocatalytiques.

5. Quelle est l'efficacité de l'alumine revêtue d'argent ?

>99,9 % d'élimination des bactéries en 4 heures (Wang et al., 2019).

>6. L'alumine revêtue de ZnO est-elle biocompatible ?

>Oui. Elle est extrêmement antibactérienne avec une toxicité minimale (Zhao et al., 2021).

Références

Chen, L., Huang, Z. et Zhao, Y. (2020). Alumina coated with TiO₂ and its photocatalytic and antibacterial activity under UV-A illumination (Alumine recouverte de TiO₂ et son activité photocatalytique et antibactérienne sous illumination UV-A). Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

Wang, Y., Liu, X. et Wang, H. (2019). Performance antibactérienne des céramiques d'alumine poreuse fonctionnalisées à l'argent. Science et ingénierie des matériaux : C, 102, 686-692.

Zhao, J., Zhang, D. et Li, Q. (2021). Atomic layer deposition of ZnO coatings on alumina for antibacterial applications (Dépôt de couches atomiques de revêtements de ZnO sur l'alumine pour des applications antibactériennes). Journal of Biomedical Materials Research Part B : Applied Biomaterials, 109(2), 222-229.