L’adhésion irréversible ou attachement

III.2 Les facteurs influençant l'adhésion 66

III.2.1 Facteurs liés aux micro-organismes 66

III.2.2 Facteurs liés à l'environnement 67

III.2.3 Facteurs liés au support 70

III.3 Méthodes permettant de réduire la colonisation bactérienne sur la surface des

biomatériaux 71

III.3.1 Modification des propriétés de la surface 71 III.3.2 Greffage de molécules antimicrobiennes 72 III.4 Influence de la stérilisation sur l'adhésion des bactéries sur les polymères à

usage médical 73

'adhésion bactérienne sur la surface des tissus animaux, végétaux ou des matériaux inertes (polymères, aciers, verres, bois) est la capacité que possède les bactéries à se fixer sur une surface. L'adhésion est largement répandue dans le monde microbien et largement rencontrée dans les bio-industries.

Il est envisageable que les modifications de surface des dispositifs médicaux réutilisables, induites par les divers procédés de stérilisation, puissent avoir une répercussion sur le nombre de bactéries adhérentes après contact avec l’hôte. Dans ce chapitre, après avoir rappelé dans un premier temps les étapes de l’adhésion bactérienne et les facteurs qui influent sur cette adhésion, on évoquera les méthodes permettant de réduire la colonisation bactérienne et l’influence de la stérilisation des biomatériaux sur ce phénomène.

Figure III.1 : Les différentes étapes de l’adhésion bactérienne et de la formation du biofilm sur les biomatériaux [89, 90]

III.1 L’adhésion bactérienne sur la surface

L’adhésion de particules ou de micro-organismes à une surface est un phénomène très largement rencontré. Il survient selon différentes étapes [91] (Figure III.1) :

• le transport ; • l'adhésion initiale ;

III.1 L’adhésion bactérienne sur la surface

• l’adhésion irréversible ou attachement ; • la colonisation.

III.1.1 Le transport

Le transport des bactéries vers le support dépend des conditions hydrodynamiques du milieu et du mode de déplacement des bactéries. Lorsque les forces de cisaillement sont nulles ou faibles (conditions statiques ou écoulement laminaire) les bactéries peuvent être dirigées vers la surface à la suite d’un des mécanismes suivants [92-94] :

III.1.1.1 Sédimentation

Ce processus, dû aux seules forces de gravité, est particulièrement significatif lorsqu’il y a agrégation ou floculation des particules.

III.1.1.2 Mouvement brownien

Il est défini comme un mouvement perpétuel irrégulier, exécuté par des particules de tailles inférieures à 1µm, soumises à l’agitation thermique. L’amplitude du déplacement dépend du rayon de la particule et de la viscosité du milieu.

III.1.1.3 Chimiotaxie

Ce mode de déplacement ne concerne que les bactéries mobiles (flagellées) situées au voisinage d’une interface. La chimiotaxie correspond au déplacement des bactéries vers les substances attractives telles que les glucides ou les acides aminés et à l'éloignement des bactéries des substances répulsives comme par exemple des composés toxiques.

III.1.2 L'adhésion initiale

Quand les bactéries arrivent à une dizaine de nanomètres de la surface du support, des forces électrostatiques et autres régissent les interactions des bactéries avec le support.

III.1.2.1 Interactions électrostatiques

Lorsque les micro-organismes (particules) sont plongés dans un milieu aqueux, ils peuvent porter des charges de surface et avoir un potentiel de surface. Dans ce milieu aqueux des contre-ions vont entourer la particule et une double couche électrique est ainsi formée. La double couche est constituée d'une première appelée couche de Stern, au-delà de laquelle se

forme une seconde qui s'étend dans la phase aqueuse ; cette couche diffuse est appelée couche de Goüy-Chapman (Figure III.2).

Figure III.2 : Les doubles couches électriques [91]

En cas de superposition des doubles couches des micro-organismes et de la surface d'adhésion, il y a interaction électrostatique. Si les charges sont identiques il y a répulsion, et, dans le cas contraire, il y a attraction [95]. Cette dernière favorise l’adhésion bactérienne [96]. Plus la concentration en électrolytes est forte, moins les interactions des doubles couches électrostatiques sont importantes. L’énergie électrostatique est fonction de différentes caractéristiques du micro-organisme (rayon, densité de charge à la surface), du milieu qui l’entoure (constante diélectrique, potentiel électrique, force ionique) et de la distance entre les particules et le support.

III.1.2.2 Interactions non-électrostatiques

Elles sont caractérisées par des liaisons de Van der Waals et acido-basiques [97].

Les forces de Van Der Waals

Ce sont des forces de nature électrique. Elles peuvent être attractives ou répulsives. Ces forces sont de trois types :

• Les forces de Keesom (effet d'orientation) qui résultent d’une attraction entre deux molécules polaires c'est-à-dire d’une interaction dipôle – dipôle ;

• Les forces de Debye (effet d'induction) qui résultent d’une attraction entre une molécule polaire et une molécule non-polaire ;

III.1 L’adhésion bactérienne sur la surface

• Les forces de London (effet de dispersion) qui résultent d’une attraction entre deux molécules non-polaires.

Les forces de répulsion qui accompagnent les forces d'attraction décroissent avec la distance entre les molécules.

Les interactions acido-basiques

Les interactions de type acido-basique font intervenir le caractère donneur ou accepteur d’électrons (selon Lewis) ou le caractère accepteur ou donneur de protons (selon Brönsted).

III.1.2.3 Les théories de l’adhésion bactérienne

Pour étudier l'adhésion des bactéries à un support inerte nous pouvons utiliser deux théories physico-chimiques qui sont la théorie DLVO et la théorie du mouillage.

Dans les deux cas, les cellules sont considérées comme des particules colloïdales sphériques, rigides et possédant une surface bien définie et uniforme. La population est considérée comme homogène et le système comme un ensemble à l'équilibre où seules les interactions non spécifiques interviennent.

L’adhésion par la théorie DLVO

Lorsque, particules et surfaces solides possèdent une charge électrique, leur adhésion, qui correspond à un état stable, peut être décrite par la théorie de la stabilité de l’état colloïdal, formulée par Derjaguin et Landau (1949) ainsi que par Verwey et Over Beek (1948), appelée théorie DLVO d’après les initiales des quatre auteurs.

Selon cette théorie, l’énergie d’interaction entre deux corps macroscopiques séparés est composée de deux termes, l’énergie d’attraction et l’énergie de répulsion. L’énergie d’interaction est donc fonction de la distance de séparation entre les deux corps. L'énergie d'adhésion est la somme arithmétique des interactions électrostatiques et des effets de dispersion de Van Der Waals [91].

L'énergie d'adhésion dépend des propriétés électriques et de la polarisabilité des micro-organismes et du support aussi bien que des propriétés du milieu.

L’adhésion par la théorie du mouillage

Ce modèle, fourni par la thermodynamique des surfaces, considère un système bactérie-solide-liquide. L'adhésion bactérienne correspond à un état d'équilibre qui se traduit d'une part par

la création d'une interface bactérie-solide, et d'autre part, par la destruction des interfaces solide-liquide et liquide-bactérie (Figure III.3) [98].

Figure III.3 : Prévision thermodynamique de l'adhésion

avec M : micro-organisme, S : solide, L : liquide (forme sphérique)

Selon le second principe de la thermodynamique, il y aura adhésion si la variation d’énergie libre du système, F, est négative. Cette variation est donnée par l’Equation III-1 [99], où SM est l'énergie libre interfaciale solide (S)/micro-organisme (M), SL est l'énergie libre interfaciale solide (S)/liquide (L) et ML est l'énergie libre interfaciale micro-organisme (M) / liquide (L).

F =

-

-

Il est à noter que l’approche thermodynamique ne tient pas compte de l’effet de rugosité et surtout de la topographie des surfaces solides.

Cette théorie permet de prévoir et de quantifier l’adhésion des micro-organismes sur une surface, si les caractéristiques énergétiques des corps en présence sont déterminées dans les conditions effectives de l’adhésion (adsorption de composés, etc.).

III.1.3 L’adhésion irréversible ou attachement

L’adhésion bactérienne lors de cette étape est beaucoup plus lente que l’adhésion initiale. Des interactions chimiques à faible distance entre le micro-organisme et la surface ont lieu (cf. Figure III.1 ; p.61). Il s’agit de la formation de liaisons hydrogène ou de liaisons covalentes de plus forte énergie. La bactérie produit alors des substances macromoléculaires

III.1 L’adhésion bactérienne sur la surface

extracellulaires. Une bactérie peut en effet former différents types d'exopolymères : des polysaccharides, des lipides et des protéines qui sont tous impliqués dans l'adhésion irréversible [89].