Optimisation de films composites ZnO/alumine anodique poreuse pour une performance antibiofilm supérieure

Résumé

Cette étude rapporte la fabrication de films composites ZnO/alumine anodique poreuse (PAA) via une anodisation en deux étapes suivie d'un dépôt de ZnO par sol-gel. Les films ont été systématiquement caractérisés par DRX, ATG/ATD, FT-IR, MEB, MET, SAED et mesures de l'angle de contact (CA) à l'eau. L'activité antibiofilm contre Shewanella putrefaciens a été quantifiée par adhésion, comptage d'unités formant colonies, MEB et MCL. Les résultats indiquent que les nanoparticules de ZnO (10-30 nm) nucléent préférentiellement sur les pores de PAA, et qu'une anodisation secondaire de 40 min produit une surface hautement poreuse et hydrophobe qui maximise le chargement en ZnO. Cette configuration a produit une surface superhydrophobe (CA > 150°) et l'adhésion de biofilm la plus faible, démontrant ainsi la performance antibiofilm la plus efficace parmi les échantillons testés.

Contexte

La formation de biofilm sur les surfaces industrielles entraîne corrosion, altération alimentaire et pertes économiques significatives. Les attributs de surface tels que la rugosité, la microstructure, l'hydrophilie et les additifs antimicrobiens dictent l'adhésion bactérienne et la maturation du biofilm. L'alumine anodique poreuse (PAA) offre une nanoporosité ajustable, la rendant attractive pour les applications biomédicales et agroalimentaires. L'oxyde de zinc (ZnO) est un agent antibactérien bien établi ; son activité est influencée par la structure cristalline, la taille des particules et la chimie de surface. L'augmentation de l'hydrophobicité des films ZnO est essentielle, car les surfaces hydrophiles tendent à favoriser l'attachement bactérien. Shewanella putrefaciens, un organisme d'altération psychrotrophe, sert de modèle pertinent pour étudier les stratégies antibiofilm dans la conservation alimentaire à froid.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Tous les réactifs étaient de grade analytique ; l'eau déionisée avait une conductivité < 0,5 mS/cm. Shewanella putrefaciens ATCC 8071 et feuilles d'Al 99,99 % (0,3 mm) provenaient de Shengshida Metal Materials Co., Ltd.

Préparation des films composites ZnO/PAA

Films d'alumine anodique poreuse (PAA)

Les feuilles d'Al (10 × 30 mm²) ont été polies, dégraissées et lavées. Première anodisation : 30 °C, 40 V, 90 min dans l'acide oxalique 0,3 mol/L. Enlèvement de la couche barrière : 6 % en poids H₃PO₄ + 1,8 % en poids H₂CrO₄ à 60 °C pendant 4 h. Deuxième anodisation : conditions identiques pendant 0, 40, 60 ou 80 min pour produire des géométries de pores variables.

Dépôt d'oxyde de zinc

Volumes égaux de 0,02 mol/L d'acétate de zinc et 0,04 mol/L de NaOH dans l'éthanol ont été mélangés à 70 °C pendant 5 min. Les films PAA ont été immergés sous vide de -0,085 MPa, chauffés à ébullition pour former un sol bleu, puis rincés. Les échantillons ont été séchés (-0,085 MPa, 80 °C, 6 h) et calcinés à 480 °C pendant 2 h. Finalement, les films ont été modifiés avec 1,0 % en poids Si69 dans l'éthanol à 65 °C pendant 2 h et séchés sous vide (-0,085 MPa, 40 °C, 12 h).

Caractérisation

DRX (Rigaku Ultima IV, 40 kV, 50 mA) a surveillé les phases cristallines. ATG/ATD (Perkin Elmer Diamond) a suivi les transitions thermiques. FT-IR (Agilent Scimitar 2000) a identifié les groupes fonctionnels de surface. MEB (Hitachi S-4800) et MET (JEOL Jem-2100F) ont examiné la morphologie ; SAED a confirmé la structure cristalline. L'angle de contact a été mesuré par méthode de goutte sessile (3,0 µL eau déionisée). Les essais de biofilm incluaient coloration au violet de cristal, comptage sur gélose, MEB et imagerie MCL.

Évaluation antibiofilm

Les suspensions bactériennes (OD₅₉₅ ≈ 0,5) ont été diluées 1:200 avec 3 % APW et incubées avec des morceaux de film 0,5 × 0,5 cm à 28 °C. L'adhésion du biofilm a été quantifiée par extraction du violet de cristal (OD₅₉₅). Les comptages de colonies ont été obtenus par dilution en série et comptage sur gélose. La MEB a visualisé l'architecture du biofilm, tandis que le MCL a différencié les cellules vivantes (vert) et mortes (rouge) par coloration acridine orange/iodure de propidium.

Résultats et discussion

Caractérisation du film ZnO

DRX

La calcination a induit une transition d'intermédiaires amorphes vers du ZnO cristallin hexagonal wurtzite. Les pics à 31,70°, 34,52°, 36,31°, 47,68°, 56,82°, 62,92° et 67,92° correspondaient aux plans (100), (002), (101), (102), (110), (103) et (112) (PDF # 36-1451). L'affinage des pics avec des températures de calcination plus élevées indiquait une cristallinité et une croissance des grains croissantes.

Analyse thermique

L'ATG/ATD a montré une perte de masse de 68,6 % jusqu'à 100 °C (évaporation éthanol et eau) et une perte mineure de 3,8 % entre 100-400 °C (élimination d'hydroxydes résiduels). Aucune perte supplémentaire au-dessus de 400 °C a confirmé la stabilité thermique de la phase wurtzite.

FT-IR

Le ZnO non modifié affichait un élargissement d'étirement O-H (3600-3300 cm⁻¹) et des pics liés à l'eau. La modification post-Si69 a introduit des vibrations Si-O (~895 cm⁻¹) et réduit les signaux hydroxyle, confirmant le greffage réussi et l'augmentation de l'hydrophobicité.

Microstructure

La MEB a révélé que la taille des pores PAA s'élargissait avec le temps de deuxième anodisation : 5-10 nm (0 min), 20-40 nm (40 min), 60-70 nm (80 min). Les nanoparticules de ZnO (10-30 nm) nucléaient préférentiellement sur les pores plus petits, formant des couches denses sur le PAA de 40 min. La MET et le SAED ont confirmé la structure hexagonale wurtzite des particules de ZnO.

Hydrophobicité

Les films ZnO non modifiés étaient hydrophiles (CA < 90°). Après traitement Si69, l'angle de contact a augmenté dramatiquement ; l'échantillon PAA 40 min a atteint la superhydrophobicité (CA > 150°), attribuable au chargement élevé en ZnO et à la rugosité.

Performance antibiofilm

L'adhésion du biofilm a suivi le modèle classique à cinq stades : attachement rapide (0-2 h), croissance (2-12 h), maturation (12-24 h) et dégénérescence (>24 h). Le composite ZnO/PAA 40 min a exhibé l'adhésion la plus faible et les comptages bactériens les plus bas à tous les points temporels. En contraste, l'échantillon 80 min, malgré une hydrophobicité plus élevée, a montré l'accumulation de biofilm la plus élevée due à une densité de ZnO plus faible.

Les images MEB ont confirmé que l'échantillon 40 min présentait des substances polymériques extracellulaires (EPS) minimales et moins de colonies bactériennes, tandis que l'échantillon 80 min affichait des EPS denses et des biofilms matures. Le MCL a corroboré ces résultats, avec la surface 40 min montrant une proportion plus élevée de cellules mortes (rouge) et moins de cellules vivantes (vert) à 24-36 h.

Conclusions

En ajustant le temps de deuxième anodisation à 40 min, la PAA fournit une architecture de pores optimale qui maximise le dépôt de nanoparticules de ZnO et, après modification Si69, produit une surface superhydrophobe. Cette configuration inhibe efficacement l'adhésion bactérienne initiale et perturbe la maturation du biofilm, établissant le composite ZnO/PAA comme un matériau antibiofilm prometteur pour les applications agroalimentaires et biomédicales.

Abréviations

AO :

Orange d'acridine

CA :

Angle de contact à l'eau

EPS :

Exopolysaccharides

FT-IR :

Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier

PAA :

Alumine anodique poreuse

PBS :

Tampon phosphate salin

PI :

Iodure de propidium

SAED :

Diffraction électronique de zone sélectionnée

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TG/DTA :

Analyse thermogravimétrique/thermique différentielle

XRD :

Diffraction des rayons X