Des tueurs microbiens infatigables dans de nouveaux nanocomposites

Ils tuent avec une piqûre moléculaire ou un choc oxydatif et ne connaissent pas le sens de la fatigue. Les derniers nanocomposites biocides, conçus et synthétisés par des scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IPJ PAN) à Cracovie, tracent de nouvelles orientations pour l’ingénierie des matériaux dans la lutte contre les micro-organismes.

Le nombre croissant de bactéries résistantes aux antibiotiques pose des défis non seulement aux médecins, mais aussi aux physiciens impliqués dans l’ingénierie des matériaux. Dans la lutte de Sisyphe menée depuis des générations par l’humanité contre le monde des micro-organismes dangereux, il semble que nous ayons enfin trouvé des alliés prêts à relever le défi : des matériaux composites capables de tuer spontanément et continuellement les micro-organismes et d’empêcher leurs colonies de se développer.

Les nanocomposites biocides, conçus, synthétisés et caractérisés à l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, en Pologne, sont discutés dans une série d’articles scientifiques récemment publiés.

“Dans le travail de notre équipe, nous essayons d’appliquer l’idée de ‘physique inverse’ : nous partons non pas de la substance que nous voulons étudier pour lui trouver des applications, mais des applications elles-mêmes. Une fois que nous avons établi nos besoins, nous concevoir précisément le futur matériau en tenant compte de ces besoins, effectuer des simulations numériques, puis essayer de le synthétiser. Ce n’est que lorsque nous y parviendrons avec succès que nous pourrons vérifier si les propriétés du matériau obtenu sont conformes à nos attentes », explique le Dr Lukasz Laskowski (IFJ PAN), chef d’une équipe qui comprenait le Dr Agnieszka Karczmarska, le Dr Magdalena Laskowska et le Dr Mateusz Schabikowski.

La nécessité de développer un nouveau matériau biocide durable et sûr a été signalée par des chercheurs de l’Institut de physiologie et de nutrition animale de l’Académie polonaise des sciences (IFiZZ PAN) à Jablonna. Ils ont souligné que si les masques faciaux connus de tous depuis l’époque de la pandémie sont changés peu fréquemment, ils accumulent des micro-organismes et, en tant qu’habitat, peuvent être une source d’infection secondaire.

Il faudrait donc un matériau qui non seulement fasse office de filtre, mais soit également capable d’éliminer en continu les micro-organismes qui s’y déposent. Les physiciens de l’IFJ PAN pensaient qu’un matériau composite construit à partir d’une matrice neutre avec des groupes fonctionnels convenablement attachés capables de tuer efficacement les micro-organismes pourrait être un moyen de résoudre le problème.

La fixation permanente de molécules biocides et une sélection appropriée de leurs propriétés garantiraient que le matériau conserverait ses caractéristiques pendant pratiquement n’importe quelle période de temps.

Dans le cas des composites biocides aux ions d’argent, développés par les scientifiques de l’IFJ PAN, des matrices d’oxyde d’aluminium ou de dioxyde de silicium (c’est-à-dire de la silice) peuvent être utilisées, selon les besoins. Dans le premier cas, les matrices se présentent sous la forme d’un tamis avec des diamètres de pores d’environ 40 nanomètres, tandis que dans le second, ce sont des sphères de diamètres allant de 50 à 500 nm.

La matrice poreuse permet de filtrer, par exemple, l’air ou les fluides corporels, tandis que la silice sphérique permet d’incorporer le matériau biocide dans d’autres substances, telles que des obturations dentaires.

“Naturellement, le rôle principal dans nos matériaux n’est pas joué par la matrice, mais par les groupes fonctionnels déposés dessus de manière appropriée. L’agent biocide clé, en l’occurrence l’ion argent, est capturé par un groupe carboxyle attaché à un chaîne propyle. Cette structure est souple et agit superbement comme une piqûre ou un couteau qui, au contact de la bactérie, détruit sa membrane cellulaire », explique le Dr Laskowski.

Les molécules biocides des nouveaux composites sont liées chimiquement et donc de façon permanente à la matrice. Ce fait signifie, avant tout, que ces molécules pourront accomplir leur tâche en continu et exactement là où elles sont placées. Au fil du temps, ils ne perdront donc pas leurs capacités, ils ne seront pas lavés d’une obturation dentaire dans le corps, et ils ne seront pas non plus libérés d’un masque usagé dans l’environnement.

La deuxième classe de nouveaux nanocomposites de l’IFJ PAN utilise un outil différent pour lutter contre les bactéries : les groupements propyl-phosphate contenant un ion cuivre. Ils captent les molécules d’oxygène de l’air, qui sont ensuite réduites par l’ion cuivre, agissant comme un catalyseur à un seul électron. Les réactions en cours impliquent l’hydrogène des molécules d’eau courantes dans notre environnement. En conséquence, du peroxyde d’hydrogène se forme continuellement autour des groupes fonctionnels du cuivre. A son contact, la plupart des micro-organismes sont tués par choc oxydatif.

“Comme pour les nanocomposites d’argent, le cuivre est également lié en permanence à la matrice et ne s’use pas. L’eau et l’oxygène sont consommés, mais ceux-ci sont naturellement disponibles dans l’environnement. Nous disposons ainsi d’un matériau qui produit pratiquement en continu une certaine quantité de peroxyde d’hydrogène frais, l’un des composés biocides les plus efficaces », explique le Dr Laskowski et souligne que des tests vérifiant les effets biocides de tous les nouveaux matériaux ont été effectués à l’IFiZZ PAS.

Des nanocomposites bioactifs avec des ions métalliques sont actuellement produits à l’IFJ PAN à l’échelle du laboratoire, avec la possibilité de fournir des quantités d’essai à des fins de mise en œuvre. Cependant, la technologie de production, qui est au stade du brevet, peut être adaptée aux besoins industriels sans problèmes majeurs.

L’étude la plus récente est publiée dans la revue Molécules.