L'essor imminent des matériaux antibactériens et antimicrobiens

L'émergence de nouveaux agents infectieux est devenue une préoccupation majeure – maintenant plus que jamais alors que le monde fait face aux conséquences sanitaires et économiques d'une pandémie mondiale. Le développement et l'utilisation de matériaux antimicrobiens ne devraient augmenter qu'à mesure que nous employons des mesures plus strictes pour contrôler notre environnement et prévenir de futures épidémies .

Poussée par la prise de conscience croissante de la sécurité et du maintien de la santé, l'industrie mondiale des revêtements antimicrobiens anticipe une forte augmentation de la demande , tel que rapporté par Global Market Insights.

Le marché des matériaux et revêtements antibactériens était évalué à plus de 3 milliards de dollars en 2017. Il devrait enregistrer un taux de croissance annuel composé d'environ 12,5 % sur la période 2018-2024 , atteignant 7 milliards de dollars d'ici la fin de 2024.

Le développement et l'utilisation de matériaux antimicrobiens ne devraient qu'augmenter à mesure que nous employons des mesures plus strictes pour contrôler notre environnement et prévenir de futures épidémies.

Les agents infectieux se propagent généralement par des gouttelettes en suspension dans l'air produit par éternuements ou toux . Ces liquides corporels peuvent se déposer sur les surfaces , et la transmission de personne à personne est possible si une personne touche ces gouttelettes respiratoires.

Dans une étude menée par Neely et Maley, des agents pathogènes comme le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) et l'entérocoque résistant à la vancomycine se sont avérés survivre pendant une journée sur les matériaux utilisés dans les hôpitaux .

Les virus restent généralement actifs plus longtemps sur l'acier inoxydable, le plastique et les surfaces dures similaires que sur les tissus et autres surfaces souples.

Certains microbes ont même vécu plus de 90 jours . Ces micro-organismes sont endémiques dans les unités de soins intensifs (USI) et sont associés à une probabilité accrue de maladie et de décès. Désinfectants, comme le peroxyde d'hydrogène , ne sont pas idéales en raison de leur effet résiduel limité et des problèmes de toxicité environnementale.

Cette structure actuelle nécessite un besoin d'explorer les matériaux qui peuvent fournir une activité antimicrobienne , réduisant ainsi l'apparition d'éventuelles épidémies.

Le matériau antibactérien idéal

Matériaux antibactériens contiennent des agents antimicrobiens capables d'inhiber ou de tuer les microbes à leur surface ou dans leur environnement. Il peut s'agir de polymères antimicrobiens, de plastiques antibactériens, de nanomatériaux antimicrobiens ou de céramiques antimicrobiennes .

Un matériau antimicrobien idéal présente les caractéristiques suivantes :

• utilisation sûre ;
• pas cher et facile à synthétiser ;
• couvre un large éventail d'activités antimicrobiennes ;
• très stable pendant de longues périodes ;
• insoluble dans l'eau (si utilisé pour la désinfection de l'eau) ;
• insensible à la pourriture ;
• ne doit pas libérer de produits toxiques.

Types de matériaux et revêtements antimicrobiens

1. Polymères antimicrobiens

Les propriétés macromoléculaires polyvalentes d'un polymère en font une option favorable contre la contamination microbienne, notamment dans le domaine biomédical . Également connus sous le nom de biocides polymères, les polymères antimicrobiens peuvent inhiber la croissance des micro-organismes pathogènes.

Principes généraux des surfaces antimicrobiennes [1].

Matériaux qui présentent une action antimicrobienne sans aucun raffinement et ont des propriétés auto-désinfectantes inhérentes sont appelés matériaux antimicrobiens intrinsèques . Les polymères naturels, les polymères avec des groupes guanidine, les polymères contenant des atomes d'azote quaternaire, les polymères contenant des halogènes et les polymères imitant les peptides naturels sont quelques-uns des nombreux matériaux polymères ayant une activité antimicrobienne intrinsèque.

Certainspolymères naturels comprennent le chitosane, l'héparine et l'e-polylysine . Les matériaux à base de chitosane présentent un potentiel prometteur en raison de leur biodégradabilité, de leur non-toxicité, de leur biocompatibilité et de leur activité antimicrobienne.

Les emballages alimentaires antimicrobiens polymères font leur chemin alors que les entreprises passent à des emballages antibactériens pour un produit plus sûr et une durée de conservation accrue.

Conférer une activité antimicrobienne aux polymères est également possible grâce à des modifications chimiques . Certaines modifications comprennent l'incorporation covalente d'antimicrobiens de poids moléculaire inférieur, le couplage de peptides antimicrobiens et le greffage de polymères naturels dans des polymères synthétiques.

Emballage alimentaire antimicrobien en polymère fait son tour alors que les entreprises passent à un emballage antibactérien pour un produit plus sûr et une durée de conservation accrue .

D'autres applications des polymères antimicrobiens peuvent être trouvées dans l'élimination des moisissures, les revêtements en poudre et l'industrie de la construction.

2. Plastiques antibactériens

a) Plastiques antimicrobiens

Un plastique antimicrobien est un matériau polymère synthétique contenant des additifs antimicrobiens, qui le rendent efficace contre la croissance microbienne . Il présente des propriétés antibactériennes en perturbant la communication de cellule à cellule par la formation de surfaces anti-adhésives, tuant ainsi les bactéries.

Plastiques antimicrobiens dans les filtres à eau commerciaux.

Les plastiques antimicrobiens à usage commercial, tels que les chaises hautes, les filtres à eau et les conteneurs de stockage des aliments, sont plus durables que les plastiques sans aucun ingrédient actif antimicrobien. Les additifs mélangés aux polymères thermoplastiques et thermodurcissables agissent pour minimiser la présence de micro-organismes qui provoquent une dégradation plus rapide du plastique, prolongeant ainsi la durée de vie fonctionnelle d'un plastique . Certains matériaux plastiques compatibles incluent le polypropylène (PP), le polycarbonate (PC), le polystyrène (PS) et le polyéthylène (PE/LDPE).

b) Bioplastiques antimicrobiens

Albumine, soja et protéines de lactosérum servir de matières premières favorables pour la fabrication de bioplastiques. Les plastiques à base d'albumine entravent la croissance d'E. coli et de bacillus subtilis à leur surface , tandis que les immunoglobulines et les glycomacropeptides présents dans la protéine de lactosérum se lient à la toxine et préviennent l'infection microbienne .

CuanTec, une société écossaise de biotechnologie bleue, a introduit un substitut antimicrobien et compostable à domicile pour les emballages alimentaires en plastique basé sur l'utilisation de la chitine, le deuxième biopolymère naturel le plus abondant au monde. L'entreprise extrait cette chitine des déchets des transformateurs alimentaires de l'industrie des coquillages (coquilles, têtes, pinces, queues - les parties que les gens ne mangent pas) et la convertit en chitosane.

Il existe également des méthodes de test disponibles pour déterminer si l'albumine ou les plastiques de lactosérum peuvent être utilisés dans les systèmes de santé, comme dans l'emballage des produits médicaux et les tests d'infection pour les applications médicales .

3. Céramique antimicrobienne

Une céramique antimicrobienne est un matériau solide non métallique incorporé avec un additif dans sa glaçure qui le rend résistant à la croissance bactérienne . Dans une étude menée par Drelich et al., il a été démontré qu'une céramique infusée de cuivre pourrait servir de produit antibactérien prometteur pour la désinfection de l'eau.

(a) schématique des trois étapes de fabrication des pierres céramiques antimicrobiennes ; (b) pierres en céramique; (c) diagramme de diffraction des rayons X de l'argile utilisée dans la formulation des pierres ; (d) micrographie électronique à balayage d'une pierre céramique révélant une porosité [2].

Le cuivre et les composés de cuivre ont prétendu tuer une variété de micro-organismes, y compris les bactéries (gram positif et négatif), champignons, virus (enveloppés et non enveloppés), levure et spores .

Il est capable de tuer 99,9 % des bactéries nocives en deux heures et de continuer à tuer plus de 99 % des bactéries indépendamment de l'exposition répétée à la surface du cuivre, selon la Copper Development Association (CDA). Les populations de Klebsiella pneumoniae et de Staphylococcus aureus dans l'eau contaminée, lorsqu'elles sont exposées à la pierre céramique antimicrobienne poreuse infusée de cuivre, ont été réduites de>99,9 % en 3 heures .

Les applications céramiques antibactériennes peuvent être trouvées dans les éviers, les baignoires, les toilettes, les douches et les appareils de cuisine.

4. Nanomatériaux antimicrobiens

a) Nanoparticules organiques et inorganiques

Nanoparticules organiques peut éliminer les microbes en libérant des agents antimicrobiens ou par contact-tuant les surfaces cationiques . Dans une expérience menée par Jones et al., la Poly-epsilon-caprolactone (PCL) a été mélangée avec de la poly(N-Vinylpyrrolidone)-iode, conférant ainsi des propriétés antibactériennes aux biomatériaux, sans aucune modification mécanique ou rhéologique. propriétés . La dégradation du PCL a également favorisé l'anti-adhérence d'Escherichia coli .

Représentation schématique de différents types de nanoparticules (NPs) divisées en catégories organiques, hybrides et inorganiques [3].

Nanoparticules inorganiques sont plus stables à des températures plus élevées que leurs homologues organiques , leur permettant de résister à des conditions de traitement difficiles. Par conséquent, les nanoparticules inorganiques sont souvent utilisées comme matériaux antimicrobiens.

b) Nanoparticules d'oxyde métallique

Nanoparticules d'oxyde métallique causer des dommages à la membrane cellulaire par interaction électrostatique . La fuite de protons induit la génération d'espèces réactives de l'oxygène qui endommagent les biomolécules organiques telles que les lipides, les glucides, les acides nucléiques et les protéines, causant ainsi la mort microbienne.

oxyde d'aluminium ont montré une inhibition de la croissance d'Escherichia coli. Trioxyde d'antimoine est également toxique pour les microbes Staphylococcus aureus et Bacillus subtilis. Autres nanoparticules d'oxydes métalliques telles que l'oxyde de cobalt, l'oxyde de fer, l'oxyde de magnésium, l'oxyde de zinc, le dioxyde de titane , et nanoparticules d'argent a également montré des résultats prometteurs d'activité antimicrobienne.

L'une des applications les plus vitales des nanoparticules métalliques, en particulier des nanoparticules d'argent, dans le domaine de la médecine consiste à utiliser ces nanoparticules comme agents antimicrobiens. L'activité létale des nanoparticules contre un large spectre de bactéries Gram-positives, de bactéries Gram-négatives et de champignons a été approuvée.

Nanoparticules d'argent ont d'excellentes propriétés antibactériennes par rapport aux autres métaux . La forte liaison des ions argent avec les groupes thiolate de protéines et d'enzymes cellulaires en fait un additif idéal dans les tissus de soins de santé tels que masques faciaux, rideaux privés, bandages, pansements, draps et autres textiles liés aux soins de santé. En 2015, l'utilisation de l'argent dans les revêtements en poudre antimicrobiens représentait 50 % du chiffre d'affaires total de l'industrie . Il devrait également générer 2 milliards de dollars d'ici 2024.

Quelle est la prochaine ?

Ce n'est qu'une question de temps avant que les matériaux antibactériens, en particulier sur le marché des revêtements de surface, gagnent en popularité en tant que matière première primaire si les gouvernements mettent en œuvre des normes plus strictes pour appliquer les mesures d'auto-assainissement .

De plus, son application dans de nombreuses industries comme la construction, l'emballage alimentaire, les textiles, l'élimination des moisissures, les meubles, les ustensiles de cuisine et l'automobile renforcera encore son emprise sur le marché mondial.