En utilisant un procédé de gravure électrochimique sur un alliage d'acier inoxydable commun, les chercheurs ont créé une surface nanotexturée qui tue les bactéries sans nuire aux cellules des mammifères. Si des recherches supplémentaires appuient les premiers résultats des tests, le procédé pourrait être utilisé pour s'attaquer à la contamination microbienne des dispositifs médicaux implantables et des équipements de transformation des aliments fabriqués avec le métal.

Alors que le mécanisme spécifique par lequel le matériau nanotexturé tue les bactéries nécessite une étude plus approfondie, les chercheurs pensent que de minuscules pointes et autres nano-saillies créées à la surface perforent les membranes bactériennes pour tuer les insectes. Les structures de surface ne semblent pas avoir un effet similaire sur les cellules de mammifères, qui sont d'un ordre de grandeur plus grand que les bactéries.

Au-delà des effets antibactériens, la nano-texturation semble également améliorer la résistance à la corrosion. La recherche a été publiée le 12 décembre dans le journal ACS Science et ingénierie des biomatériaux par des chercheurs du Georgia Institute of Technology.

"Ce traitement de surface a des implications potentiellement étendues car l'acier inoxydable est si largement utilisé et de nombreuses applications pourraient en bénéficier, " a déclaré Julie Champion, professeur agrégé à la School of Chemical and Biomolecular Engineering de Georgia Tech. « De nombreuses approches antimicrobiennes actuellement utilisées ajoutent une sorte de film de surface, qui peut s'user. Parce que nous modifions en fait l'acier lui-même, cela devrait être un changement permanent dans le matériau."

Champion et ses collaborateurs de Georgia Tech ont découvert que la modification de surface tuait à la fois les bactéries Gram négatives et Gram positives, le tester sur Escherichia coli et Staphylococcus aureus. Mais la modification n'a pas semblé être toxique pour les cellules de souris - un problème important car les cellules doivent adhérer aux implants médicaux dans le cadre de leur incorporation dans le corps.

La recherche a commencé dans le but de créer une surface super-hydrophobe sur l'acier inoxydable dans le but de repousser les liquides - et avec eux, bactéries. Mais il est vite devenu évident que la création d'une telle surface nécessiterait l'utilisation d'un revêtement chimique, ce que les chercheurs ne voulaient pas faire. Les boursiers postdoctoraux Yeongseon Jang et Won Tae Choi ont ensuite proposé une idée alternative consistant à utiliser une surface nanotexturée sur de l'acier inoxydable pour contrôler l'adhésion bactérienne, et ils ont initié une collaboration pour démontrer cet effet.

L'équipe de recherche a expérimenté différents niveaux de tension et de courant dans un processus électrochimique standard. Typiquement, des procédés électrochimiques sont utilisés pour polir l'acier inoxydable, mais Champion et collaborateur Dennis Hess – un professeur et Thomas C. DeLoach, Chaire Jr. à l'École de génie chimique et biomoléculaire - a utilisé la technique pour rendre la surface rugueuse à l'échelle nanométrique.

« Dans les bonnes conditions, vous pouvez créer une nanotexture sur la structure de surface du grain, " Hess a expliqué. " Ce processus de texturation augmente la ségrégation de surface du chrome et du molybdène et améliore ainsi la résistance à la corrosion, c'est ce qui différencie l'acier inoxydable de l'acier conventionnel."

L'examen microscopique a montré des protubérances de 20 à 25 nanomètres au-dessus de la surface. "C'est comme une chaîne de montagnes avec des pics et des vallées acérés, " a déclaré Champion. " Nous pensons que l'effet antibactérien est lié à l'échelle de taille de ces caractéristiques, leur permettant d'interagir avec les membranes des cellules bactériennes."

Les chercheurs ont été surpris que la surface traitée tue les bactéries. Et parce que le processus semble reposer sur un processus biophysique plutôt que chimique, les insectes ne devraient pas pouvoir développer de résistance, elle a ajouté.

Une deuxième application potentielle majeure de la technique de modification de surface est l'équipement de transformation des aliments. Là, le traitement de surface doit empêcher les bactéries d'adhérer, améliorer les techniques de stérilisation existantes.

Les chercheurs ont utilisé des échantillons d'un alliage inoxydable commun connu sous le nom de 316L, traiter la surface avec un processus électrochimique dans lequel un courant a été appliqué aux surfaces métalliques alors qu'elles étaient immergées dans une solution d'attaque à l'acide nitrique.

L'application du courant déplace les électrons de la surface métallique vers l'électrolyte, altérer la texture de la surface et concentrer la teneur en chrome et molybdène. Les tensions spécifiques et les densités de courant contrôlent le type de caractéristiques de surface produites et leur échelle de taille, dit Hess, qui a travaillé avec Choi – alors un doctorat. étudiant - et professeur agrégé Victor Breedveld à l'École de génie chimique et biomoléculaire, et le professeur Preet Singh de la School of Materials Science and Engineering, pour concevoir le procédé de nanotexturation.

Pour mieux évaluer les effets antibactériens, Jang a fait appel à l'expertise d'Andrés García, un professeur des régents à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech, et l'étudiant diplômé Christopher Johnson. Dans leurs expériences, ils ont permis aux échantillons bactériens de se développer sur des échantillons d'acier inoxydable traités et non traités pendant des périodes allant jusqu'à 48 heures.

A la fin de ce temps, le métal traité contenait beaucoup moins de bactéries. Cette observation a été confirmée en retirant les bactéries dans une solution, puis placer la solution sur des plaques de gélose. Les plaques recevant la solution de l'acier inoxydable non traité présentaient une croissance bactérienne beaucoup plus importante. Des tests supplémentaires ont confirmé que de nombreuses bactéries sur les surfaces traitées étaient mortes.

Cellules fibroblastiques de souris, cependant, ne semblait pas gêné par la surface. "Les cellules des mammifères semblaient être en assez bonne santé, " a déclaré Champion. " Leur capacité à proliférer et à couvrir toute la surface de l'échantillon a suggéré qu'ils étaient d'accord avec la modification de surface. "

Pour le futur, les chercheurs prévoient de mener des études à long terme pour s'assurer que les cellules des mammifères restent en bonne santé. Les chercheurs souhaitent également déterminer dans quelle mesure leur nanotexturation résiste à l'usure.

"En principe, c'est très évolutif, " a déclaré Hess. " L'électrochimie est couramment appliquée commercialement pour traiter les matériaux à grande échelle. "