Synthèses et caractérisations physicochimiques des polymères antiadhésifs

Les polymères synthétiques biostables

Les polymères biostables ne voient pas leurs propriétés s’altérer ou se dégrader lorsqu’ils sont introduits dans un organisme vivant. Ils sont présentés de manière non exhaustive (et sont répertoriés dans le Tableau II-2).

Les polyoléfines

Dans le cas du polyéthylène (PE), chimiquement inerte et résistant à l’oxydation, le grade UHMW-PE (ultrahigh molecular weigh) est le plus couramment utilisé pour la réalisation de prothèses articulaires et orthopédiques ou des fils de sutures (Figure I-3). En effet sa très haute densité (0.97) lui confère des propriétés mécaniques exceptionnelles. Il est très résistant à l’abrasion (6 fois plus que le Nylon®), aux forces de traction (autant que le Kevlar®) tout en étant plus souple. Des études récentes sur la modification de porosité du UHMW-PE ont montré qu’il pouvait aussi servir à la reconstruction crânienne.
Le polypropylène (PP) est quant à lui surtout utilisé dans les prothèses articulaires car il possède une très grande résistance à la flexion.

Les polyuréthanes (PUs)

Les PU sont constitués de deux types de segments: les segments souples constitués majoritairement de polyols de type oligo-PEG ou oligo-ester à extrémités hydroxyles et les segments rigides issus des diisocyanates associés aux allongeurs de chaînes. Ces segments rigides et souples étant liés chimiquement, l’immiscibilité conduit à une microséparation de phases et à la formation de domaines riches en segments rigides dispersés dans une matrice riche en segments souples. La nature structurale des segments rigides et souples influe sur lespropriétés mécaniques des polyuréthanes (la contrainte et la déformation à la rupture étant gouvernées par les segments rigides ; la ductibilité et la flexibilité étant gouvernées par lessegments souples). Les polyuréthanes sont donc des matériaux particulièrement bien adaptés pour les cathéters (Figure I-4), nécessitant à la fois flexibilité et rigidité (résistance à la pression sanguine) mais aussi pour les substituts ligamentaires et les substituts de dure-mère (membrane dure et rigide qui protège le cerveau et la moelle épinière).

Les résines acryliques

Parmi les polymères acryliques, le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et le poly(méthacrylate de 2-hydroxyéthyle) (PHEMA) sont les plus couramment utilisés. Le PMMA est employé pour la fabrication de prothèses orthopédiques car il possède des propriétés mécaniques proches de celles de l’os , une excellente résistance chimique ainsi qu’une très grande biocompatibilité. Le PHEMA réticulé, formant un hydrogel dans l’eau, est destiné à une utilisation ophtalmologique (lentilles de contact ou implants intra-oculaires, Figure I-6) . Une étude récente a aussi montré que les paramètres de porosité et de viscoélasticité du PHEMA ont permis d’imiter les propriétés mécaniques de la peau humaineou de certains tissus biologiques.

L’INFECTION BACTERIENNE ET LA FORMATION DE BIOFILMS

En milieu hospitalier, l’infection bactérienne et les phénomènes de contamination représentent une sérieuse problématique tant sur le plan humain que sur le plan économique. La dernière enquête nationale de prévalence commandée en 2006 par le ministère de la Santé a montré que sur l’ensemble des patients (358353 patients dans 2337 établissements), 5,38% ont contracté une infection nosocomiale. De plus, sur l’ensemble des décès, 4% sont dus à ce type d’infections. Parmi ces infections, 36% sont urinaires, 13% pulmonaires et 11% sont localisées sur la zone opérée. Aujourd’hui les maladies nosocomiales représentent la principale préoccupation de santé publique, du fait du taux de mortalité (50% des pneumopathies nosocomiales sont létales) et des coûts (45000 lits sur 550000, problèmes juridiques…) qu’elles entraînent.
De plus, les microorganismes ne colonisent pas seulement la surface des instruments chirurgicaux et des dispositifs implantables (prothèses, stents, valves) ou percutanés mais aussi les murs des salles d’intervention ou tout autre type d’équipements.
L’adhésion bactérienne sur une surface solide représente la première étape de la formation d’un biofilm. En effet, dans leur environnement naturel, les micro-organismes attachés à une surface sont organisés en communautés structurées, et enrobés dans une matrice d’exopolysaccharides.
Cette forme de vie, appelée biofilm , a trouvé un intérêt tout particulier lorsqu’il a été démontré qu’elle était impliquée dans un grand nombre d’infections bactériennes. Pour survivre, les bactéries ont besoin d’un support sur lequel elles peuvent s’adhérer et se développer. L’état planctonique, dans lequel les bactéries se trouvent libres et isolées dans le milieu environnemental, pourrait être perçu comme unétat transitoire.
Cette partie concernera les mécanismes de formationet de développement d’un biofilm sur une surface. Les paramètres influençant l’adhésion ou non des bactéries seront aussi étudiés.
En effet, la compréhension et la maitrise de ces paramètres d’adhésion sont essentielles pour envisager des stratégies de lutte antibactérienne.

Quelles sont les différentes étapes de la formationd’un biofilm ?

Pour la plupart des souches bactériennes, le processus de formation d’un biofilm se déroule en cinq étapes.
Lorsqu’un matériau est placé dans un environnement naturel non stérile, en quelques minutes, des composés organiques (protéines) ou minéraux environnants (sels) vont s’adsorber sur sa surface. Ce mélange organo-minéral déposé en surface va former une sorte de film conditionnant. Les microorganismes, se déplaçant à proximité de la surface par des mouvements browniens ou tombant par sédimentation, vont alors s’adhérer sur ce film. L’adhésion réversible s’effectue principalement par des liaisons chimiques non covalentes ou faibles (liaisons électrostatiques, hydrophobes, de van der Waals et acide/base de Lewis).
Lorsque ces liaisons sont maintenues suffisamment longtemps, des mécanismes physicochimiques et biologiques entrainent la formation demolécules protéiques (sous forme de ligands) et des structures telles que les pili (appendices situés à la surface de la paroi de nombreuses bactéries). Ces molécules vont servir de points d’ancrage pour d’autres microorganismes : on parle alors d’adhésion permanente .
Les micro-organismes se divisent et forment rapidement les premières micro-colonies. Cet attachement irréversible entraine alors de nombreuxchangements physiologiques au sein des micro-colonies conduisant à la « sécrétion » de substances exopolymériques (essentiellement constituées de polysaccharides et de protéines). Ces substances seront les constituants essentiels de la matrice protectrice. C’est le début de la maturation .
L’étape suivante concerne le développement du biofilm : il s’accroit jusqu’à devenir macroscopique. Ce processus constitue la phase de maturation .
L’étape finale est celle de ladispersion (ou phase planctonique ). En effet, suite à certains stress tels que des carences nutritionnelles ou des modifications physico-chimiques de l’environnement, des microorganismes peuvent se séparer du biofilm et coloniser d’autres surfaces.

La rugosité de la surface

La rugosité est l’un des paramètres les plus discutés dans la littérature. En effet, selon la topographie de la surface, l’adhésion microbienne peut être influencée positivement ou négativement.
Certains spécialistes établissent que la présence defissures ou de micro-crevasses augmente l’aire spécifique de contact et favorise donc l’adhésion des bactéries. De plus, ces irrégularités pourraient protéger temporairement les bactéries des phénomènes de cisaillement hydrodynamique et des agents chimiques de désinfection . Une étude a montré, sur une surface de titane, que des trous dont les tailles étaient supérieures ou égales à celles des bactéries offrent une meilleure rétention. De même,sur une surface en acier inoxydable, une diminution de l’adhésion a été observée lorsque lesirrégularités topographiques avaient des tailles inférieures à celles des bactéries.
Il est donc globalement admis qu’une surface polie ou très peu rugueuse retarde l’adhésion bactérienne.

La densité de charge en surface

L’interaction électrostatique joue aussi un rôle prépondérant dans les mécanismes d’adhésioncar la plupart des bactéries sont chargées négativement au niveau de leur membrane. Par exemple, il a été montré sur plusieurs types de matériaux tels que le verre, des métaux ou des polymères (le polystyrène, le PVC, le PP et le PMMA) qu’une modification de la densité de charge en surface pouvait influer sur le processus d’adhésion de deux microorganismes (les Saccharomyces cerevisiaeet les Acetobacter aceti).

L’énergie de surface du matériau

L’énergie de surface des supports est également un paramètre très important conditionnant et influençant l’adhésion bactérienne. En effet, les interactions entre les bactéries et la surface (séparés d’une distance L) ont été évaluées grâce à ce paramètre thermodynamique et à la théorie étendue de DLVO (Derjaguin Landau Verwey Overbeek) afin de prédire l’adhésion bactérienne . Cependant, l’énergie de surface ne peut expliquer à elle seule l’adhésion d’une bactérie sur un substrat polymère.

Facteurs liés aux micro-organismes

Une étude a montré en 1992 que plus la concentration bactérienne était importante dans un milieu, plus le nombre de bactéries adhérées augmentait sur une surface jusqu’à la recouvrir totalement.
De plus, certaines cellules colonisatrices, une fois adhérées sur une surface peuvent faciliter l’adhésion d’autres micro-organismes. Ce phénomène a été découvert dans les secteurs de l’agro-alimentaire et biomédical.
En outre, l’adhésion de bactéries sur une surface dépend de leur composition biochimique ainsi que des propriétés physico-chimiques de leur paroi. Les parois membranaires diffèrent selon qu’une bactérie soit à Gram positif ou à Gramnégatif (Figure I-11). De plus, celles-ci évoluent selon l’étape de croissance et l’état physiologique de la bactérie . Ainsi, en 2005, une étude a établi l’influence de la phase de croissance d’une souche Escherichia coli K12 (phase exponentielle / phase stationnaire) sur la densité de macromolécules adhérées sur une surface de quartz. Une densité maximale d’adhésion a été observée lorsque les bactéries étaient dans un état de phase stationnaire. Ce phénomène est attribué à la forte hétérogénéité des charges membranaires durant cette phase, entrainant ainsi une diminution globale de la répulsion électrostatique avec le support.

LES STRATEGIES DE LUTTE CONTRE L’INFECTION BACTERIENNE DANS LE DOMAINE DES BIOMATERIAUX

Malgré une stérilisation préalable, les biomatériauxsont sujets à des infections altérant leur fonctionnement en entraînant des soins annexes très coûteux pour le milieu hospitalier.
L’utilisation des traitements préventifs dans le but de limiter la formation d’un biofilm est bien plus intéressante du point de vue économique et humain. En effet, une fois le biofilm installé, il est toujours difficile de l’éliminer. Dans cette optique, plusieurs stratégies ont été développées afin de parer à l’infection des biomatériaux. Toutes ces stratégies visent à entraver la fixation et/ou la prolifération des bactéries en surface (première étape de formation d’un biofilm).

Imprégnation par les antibiotiques

Les antibiotiques sont des agents chimiques, synthétisés par des microorganismes vivants (champignons ou bactéries), exerçant un pouvoir destructeur sur une bactérie tout en étant dépourvus de toxicité vis-à-vis des autres cellules animales. La pénicilline, par exemple, bloque la synthèse de la paroi bactérienne par inhibition de la transpeptidase, inhibant ainsi la synthèse des peptidoglycanes.
L’imprégnation du biomatériau par de telles molécules a longtemps été la principale stratégie de lutte contre les phénomènes d’infection.
En 2004, une étude a mis en évidence l’action d’antibiotiques, la rifampine et l’amoxicilline (Figure I-12), imprégnés sur des surfaces de cathéters veineux en polyuréthanes (Figure I-13) vis-à-vis de d’une souche bactérienne (S. epidermidis ).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I- BIBLIOGRAPHIE 
I INTRODUCTION
II LES BIOMATERIAUX
II.1 Relations structures / propriétés / applications des biomatériaux
II.1.1 Les métaux ou alliages métalliques
II.1.2 Les céramiques
II.1.3 Les matériaux d’origine naturelle
II.1.4 Les polymères synthétiques
II.1.4.1 Les polymères synthétiques biostables
II.1.4.2 Les polymères synthétiques biodégradables
III L’INFECTION BACTERIENNE ET LA FORMATION DE BIOFILMS
III.1 Quelles sont les différentes étapes de la formationd’un biofilm ?
III.2 Quels sont les facteurs impliqués dans la formationd’un biofilm ?
III.2.1 Facteurs liés à la surface
III.2.1.1 Les phénomènes de contamination
III.2.1.2 La nature chimique de la surface
III.2.1.3 La rugosité de la surface
III.2.1.4 La densité de charge en surface
III.2.1.5 L’énergie de surface du matériau
III.2.2 Facteurs liés aux micro-organismes
III.2.3 Facteurs liés à l’environnement
III.2.3.1 L’influence du temps de contact
III.2.3.2 L’influence de la température du milieu
III.2.3.3 L’influence de la force ionique et la nature des sels
III.2.3.4 L’influence du pH
III.2.3.5 L’influence des conditions hydrodynamiques
IV LES STRATEGIES DE LUTTE CONTRE L’INFECTION BACTERIE NNE DANS LE DOMAINE DES BIOMATERIAUX
IV.1 Imprégnation par les antibiotiques
IV.2 Traitements de surface des biomatériaux
IV.2.1 Revêtements par des éléments métalliques
IV.2.2 Revêtements par des polymères antibactériens
V LE GREFFAGE CHIMIQUE DE POLYMERES ANTIBACTERIENS SUR DES SURFACES DE BIOMATERIAUX
V.1 Les polymères antibactériens
V.1.1 Les polymères biocides
V.1.2 Les polymères à propriétés d’anti-adhésion
V.2 Les stratégies de greffage des polymères antibactériens sur des surfaces de biomatériaux
V.2.1 La méthode de greffage covalent « grafting from»
V.2.1.1 Surfaces en polyuréthanes
V.2.1.2 Surfaces en silicones
V.2.1.3 Surfaces en poly(éthylène téréphtalate) (PET)
V.2.1.4 Surfaces en polypropylène ou en verre
V.2.2 La méthode de greffage covalent « grafting to »
V.2.2.1 Surfaces en verre
V.2.2.2 Surfaces en cellulose
V.2.2.3 Surfaces en polyuréthanes
V.2.2.4 Surfaces en polypropylène ou polyéthylène
V.2.2.5 Surfaces en polyéthersulfone (PES)
V.2.2.6 Surfaces en polydiméthylsiloxane (PDMS)
V.3 Le poly(chlorure de vinyle)
V.3.1 Surfaces PVC à propriétés bactéricides
V.3.1.1 Incorporation de molécules biocides
V.3.1.2 Greffage chimique d’agents biocides ou de polymèresbactéricides
V.3.2 Surfaces PVC à propriétés antiadhésives
V.3.2.1 Greffage chimique de polymères antiadhésifs par la stratégie « grafting from »
V.3.2.2 Greffage chimique de polymères antibactériens par la stratégie « grafting to»
VI CONCLUSION
CHAPITRE II- SURFACES PVC BACTERICIDES 
I Introduction
II Synthèses et caractérisations physicochimiques des polymères bactéricides
II.1 Les copolymères bactéricides synthétisés à partir du poly(chlorure de benzylvinyle) (PVBC) (copolymères 1 à 3)
II.1.1 Caractérisation par IRTF-ATR
II.1.2 Caractérisation par RMN 1 H
II.1.3 Analyses thermiques
II.1.3.1 Etude de la stabilité thermique par ATG
II.1.3.2 Etude des propriétés thermiques par DSC
II.2 Synthèse du copolymère 4 à partir du méthacrylate de N,N-diméthylaminoéthyle
II.2.1 Caractérisation par IRTF-ATR
II.2.2 Caractérisation par RMN 1H
II.2.3 Analyses thermiques
II.2.3.1 Etude de la stabilité thermique par ATG
II.2.3.2 Etude des propriétés thermiques par DSC
III Préparations et caractérisations des surfaces PVC b actéricides
III.1 Traitement physicochimique des surfaces PVC
III.2 Greffage des copolymères bactéricides sur les surfaces PVC-N3
III.3 Caractérisations physicochimiques des surfaces PVC bactéricides
III.3.1 Caractérisation par IRTF-ATR
III.3.2 Spectroscopie photoélectronique X (XPS)
III.3.2.1 Analyse élémentaire des surfaces
III.3.2.2 Etudes structurelles
III.3.3 Dosage fluorimétrique des ammoniums et phosphoniumsquaternaires
III.3.4 Caractérisation par microscopie confocale à fluorescence
III.3.5 Caractérisation par microscopie à force atomique (AFM)
III.3.6 Mesure des angles de contact
III.3.6.1 Mode statique
III.3.6.2 Mode dynamique
III.3.7 Analyses thermiques
III.3.7.1 Caractérisation par ATG
III.3.7.2 Caractérisation par DSC
IV Evaluation des propriétés bactéricides
IV.1 Choix des bactéries
IV.2 Evaluation de la concentration minimale inhibitrice(CMI) des copolymères cationiques
IV.3 Evaluation des propriétés bactéricides des surfacescationiques : Test Live and Dead
V Conclusion
CHAPITRE III- SURFACES PVC ANTIADESIVES (BACTERIOPHOBES)
I Introduction
II Synthèses et caractérisations physicochimiques des polymères antiadhésifs
II.1 Les copolymères antiadhésifs synthétisés à partir de polysaccharides (copolymères 1 à 5)
II.1.1 Caractérisation par IRTF-ATR
II.1.2 Caractérisation par RMN1H
II.1.3 Analyses thermiques
II.1.3.1 Etude de la stabilité thermique par ATG
II.1.3.2 Etude des propriétés thermiques par DSC
II.2 Le polymère antiadhésif synthétisé à partir d’un poly(éthylène glycol) monométhyl éther (MPEG-0)
II.2.1 Caractérisation par IRTF-ATR
II.2.2 Caractérisation par RMN1H
II.2.3 Analyses thermiques
II.2.3.1 Etude de la stabilité thermique par ATG
II.2.3.2 Etude des propriétés thermiques par DSC
III Préparations et caractérisations des surfaces PVC a ntiadhésives
III.1 Préparations des surfaces PVC antiadhésives
III.2 Caractérisations physicochimiques des surfaces PVC préparées
III.2.1 Caractérisation par IRTF-ATR
III.2.2 Caractérisation par XPS
III.2.2.1 Analyse élémentaire des surfaces
III.2.2.2 Etudes structurelles
III.2.3 Caractérisation par Microscopie Confocale à Fluorescence
III.2.4 Caractérisation par microscopie à force atomique (AFM)
III.2.5 Mesure des angles de contact
III.2.5.1 Mode statique
III.2.5.2 Mode dynamique
III.2.6 Analyses thermiques
IV Evaluation des propriétés antiadhésives à l’égard d es bactéries
IV.1 Mise en place du protocole
IV.2 Microscopie confocale à fluorescence
V Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES

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