L'essor rapide des matériaux antibactériens et antimicrobiens : façonner l'avenir de la santé et de la sécurité

L'émergence de nouveaux agents infectieux est devenue une préoccupation significative — maintenant plus que jamais alors que le monde fait face aux conséquences sanitaires et économiques apportées par une pandémie mondiale. Le développement et l'utilisation de matériaux antimicrobiens ne devraient que croître alors que nous employons des mesures plus strictes en contrôlant notre environnement et en prévenant de futures épidémies.

Poussée par la sensibilisation croissante concernant la sécurité et le maintien de la santé, l'industrie mondiale des revêtements antimicrobiens anticipe une forte augmentation de la demande, selon 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 2018-2024, atteignant 7 milliards de dollars d'ici fin 2024.

Les agents infectieux sont généralement propagés par des gouttelettes aéroportées produites par éternuement ou toux. Ces fluides corporels peuvent se déposer sur les surfaces, et la transmission personne-à-personne est possible si un individu touche ces gouttelettes respiratoires.

Dans une étude menée par Neely et Maley, des pathogènes comme le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) et l'entérocoque résistant à la vancomycine ont été trouvés pour survivre pendant un jour sur des matériaux utilisés dans les hôpitaux.

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

Cette structure actuelle appelle un besoin d'explorer des matériaux qui peuvent fournir une activité antimicrobienne, réduisant ainsi l'occurrence de possibles épidémies.

Le matériau antibactérien idéal

Les matériaux antibactériens contiennent des agents antimicrobiens capables d'inhiber ou tuer les microbes sur leur surface ou dans leur environnement. Ils peuvent être des polymères antimicrobiens, plastiques antibactériens, nanomatériaux antimicrobiens, ou céramiques antimicrobiennes.

Un matériau antimicrobien idéal dépeint les caractéristiques suivantes :

• sûr à utiliser ;
• bon marché et facile à synthétiser ;
• couvre une large gamme d'activité antimicrobienne ;
• hautement stable sur de longues périodes ;
• insoluble dans l'eau (si utilisé dans la désinfection de l'eau) ;
• non susceptible à la dégradation ;
• 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, particulièrement dans le domaine biomédical. Aussi connus sous le nom de biocides polymériques, les polymères antimicrobiens peuvent inhiber la croissance des microorganismes pathogènes.

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

Quelques polymères naturels incluent chitosan, héparine, et ε-polylysine. Les matériaux à base de chitosan sont vus avec un potentiel prometteur en raison de leur biodégradabilité, non-toxicité, biocompatibilité et activité antimicrobienne.

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

L'emballage alimentaire polymérique antimicrobien fait son chemin alors que les entreprises passent à l'emballage antibactérien pour un produit plus sûr et une durée de conservation accrue.

D'autres applications des polymères antimicrobiens peuvent être trouvées dans la remédiation 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, ce qui le rend efficace contre la croissance microbienne. Il exhibe des propriétés antibactériennes en perturbant la communication cellule-à-cellule par la formation de surfaces anti-adhésives, tuant ainsi les bactéries.

Les plastiques antimicrobiens en usage commercial, tels que chaises hautes, filtres à eau, et contenants de stockage alimentaire, sont plus durables que les plastiques sans ingrédients actifs antimicrobiens. Les additifs mélangés dans les polymères thermoplastiques et thermodurcissables travaillent pour minimiser la présence de microorganismes qui causent la 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/PEBD).

b) Bioplastiques antimicrobiens

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

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

3. Céramiques antimicrobiennes

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

Le cuivre et les composés de cuivre ont prétendu tuer une variété de microorganismes, y compris les bactéries (gram positif et négatif), champignons, virus (enveloppés et non-enveloppés), levures, 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 de cuivre, selon l'Association pour le Développement du Cuivre (CDA). Les populations de Klebsiella pneumoniae et Staphylococcus aureus dans l'eau contaminée, quand exposées à la pierre céramique antimicrobienne poreuse infusée au cuivre, ont été réduites de >99,9 % en 3 heures.

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

4. Nanomatériaux antimicrobiens

a) Nanoparticules organiques et inorganiques

Les nanoparticules organiques peuvent éliminer les microbes en libérant des agents antimicrobiens ou par des surfaces cationiques de contact-tueur. Dans une expérience menée par Jones et al., le Poly-epsilon-caprolactone (PCL) a été mélangé avec du poly(N-vinylpyrrolidone)-iode, conférant des propriétés antibactériennes aux biomatériaux en résultat, sans aucun changement dans les propriétés mécaniques ou rhéologiques. La dégradation du PCL a aussi promu l'anti-adhérence d'Escherichia coli.

Les nanoparticules inorganiques sont plus stables à des températures plus élevées que leurs homologues organiques, leur permettant de résister à des conditions de traitement rigoureuses. En résultat, les nanoparticules inorganiques sont souvent utilisées comme matériaux antimicrobiens.

b) Nanoparticules d'oxydes métalliques

Les nanoparticules d'oxydes métalliques causent 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 comme les lipides, glucides, acides nucléiques et protéines, causant ainsi la mort microbienne.

L'oxyde d'aluminium a montré une inhibition de croissance d'Escherichia coli. L'antimoine trioxide est aussi toxique pour les microbes Staphylococcus aureus et Bacillus subtilis. D'autres nanoparticules d'oxydes métalliques comme l'oxyde de cobalt, oxyde de fer, oxyde de magnésium, oxyde de zinc, dioxyde de titane et les nanoparticules d'argent ont aussi montré des résultats prometteurs d'activité antimicrobienne.

Les nanoparticules d'argent ont d'excellentes propriétés antibactériennes comparées aux autres métaux. La forte liaison des ions argent avec les groupes thiolates des protéines et enzymes cellulaires en fait un additif idéal dans les tissus de santé comme les 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 revenu total de l'industrie. Il est aussi attendu de générer 2 milliards de dollars d'ici 2024.

Qu'est-ce qui vient ensuite ?

Ce n'est qu'une question de temps avant que les matériaux antibactériens, particulièrement dans le marché des revêtements de surface, ne gagnent plus de traction comme matière première primaire si les gouvernements implémentent des normes plus strictes pour imposer des mesures d'auto-assainissement.

De plus, son application dans de nombreuses industries comme la construction, l'emballage alimentaire, les textiles, la remédiation des moisissures, le mobilier, la cuisine et l'automobile renforcera davantage sa tenue sur le marché mondial.