La prévalence croissante des pathogènes résistants aux antibiotiques constitue un défi majeur pour la santé publique, exigeant des approches alternatives aux traitements antimicrobiens conventionnels. L'inactivation photodynamique (PDI) apparaît comme une méthode prometteuse, où les espèces réactives de l'oxygène (ROS) induites par la lumière éliminent efficacement les micro-organismes sans provoquer de résistance aux médicaments. Parmi les matériaux développés pour les applications PDI, les composites à base de polychlorure de vinyle (PVC) ont suscité un intérêt considérable en raison de leur robustesse, de leur durabilité et de leur capacité à intégrer des photosensibilisateurs. Cet article explore la synthèse et la caractérisation chimique et biologique de matériaux à base de PVC conçus pour les applications PDI, notamment pour cibler des micro-organismes pathogènes tels que Staphylococcus aureus. L'étude porte sur le rôle de divers plastifiants adipates et photosensibilisateurs, en analysant leur effet sur la photoactivité et l'efficacité bactéricide des matériaux composites.
Le PVC est un polymère polyvalent largement utilisé dans l'industrie pour sa résistance mécanique, sa résistance chimique et sa durabilité. Cependant, à l'état pur, le PVC est dépourvu de photoactivité intrinsèque, ce qui nécessite l'ajout d'additifs pour lui conférer les propriétés antimicrobiennes souhaitées. Pour la photodésensibilisation (PDI), une matrice de PVC est idéale grâce à sa capacité à immobiliser les photosensibilisateurs, facilitant ainsi la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) sous l'effet de la lumière. L'ajout de plastifiants est une étape cruciale de cette transformation, car ils améliorent la flexibilité et la miscibilité de la matrice polymère avec les photosensibilisateurs, permettant une absorption de la lumière et une production de ROS plus efficaces.
Les plastifiants jouent un rôle essentiel dans la modification des propriétés physiques du PVC, le rendant plus flexible et adaptable à diverses applications. Dans le cadre de cette étude, quatre plastifiants adipates ont été évalués pour leur capacité à transformer le PVC en un matériau photoactif : l’hexanedioate de dibutyle (BA), l’hexanedioate de bis(2-éthylhexyle) (EA), l’hexanedioate de dioctyle (OA) et l’hexanedioate de didécyle (DA). Ces adipates linéaires à longue chaîne diffèrent par leur structure moléculaire, ce qui influence leurs interactions avec la matrice de PVC et les photosensibilisateurs.
Les adipates à longue chaîne, tels que la DA et l'OA, se sont révélés particulièrement efficaces pour améliorer les propriétés bactéricides du matériau à base de PVC. Ceci peut être attribué à leur capacité à favoriser une meilleure dispersion et immobilisation des photosensibilisateurs au sein de la matrice polymère, assurant ainsi une exposition optimale à la lumière et une production accrue d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). En revanche, les adipates à chaîne plus courte, comme la BA, ont montré une efficacité réduite, probablement en raison d'une compatibilité limitée avec les photosensibilisateurs et d'une diffusion moins favorable au sein du réseau polymère.
Les photosensibilisateurs sont essentiels au mécanisme de la PDI, car ils absorbent l'énergie lumineuse et la transfèrent aux molécules d'oxygène, générant ainsi des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui attaquent et détruisent les cellules bactériennes. Deux photosensibilisateurs ont été utilisés dans cette étude : la 5-(4-carboxyphényl)-10,15,20-triphényl-21H,23H-porphyrine (TPP) et la 20-(4-carboxyphényl)-2,13-diméthyl-3,12-diéthyl-[21]pentaphyrine (PCox). La TPP, un dérivé de porphyrine bien connu, est couramment utilisée en PDI en raison de sa forte absorption dans le spectre visible et de son rendement quantique élevé pour la génération de ROS. La PCox, une porphyrine étendue, a été choisie pour son système de conjugaison étendu, qui permet une absorption de la lumière et une production de ROS accrues.
Les résultats expérimentaux ont démontré que l'association de plastifiants adipates avec du TPP ou du PCox induisait une activité bactéricide significative contre Staphylococcus aureus. L'efficacité du PDI dépendait à la fois du type et de la quantité de plastifiant utilisé, les adipates à longue chaîne présentant la plus grande efficacité. Dans un cas, l'élimination complète de la solution bactérienne (10⁸ UFC/ml) a été obtenue en 60 minutes d'irradiation, soulignant le potentiel de ces matériaux pour des applications antimicrobiennes pratiques.
Le principal mécanisme à l'origine de l'effet bactéricide des composites à base de PVC repose sur la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) par l'activation de photosensibilisateurs sous l'effet de la lumière. Sous irradiation d'une lampe bleue multi-LED à une fluence de 50 W/m², les photosensibilisateurs absorbent des photons et passent à un état excité. Dans cet état, ils interagissent avec l'oxygène moléculaire, ce qui entraîne la formation de ROS telles que l'oxygène singulet (¹O₂) et les radicaux hydroxyles (OH•). Ces espèces hautement réactives attaquent les parois et les membranes cellulaires des bactéries, provoquant des dommages oxydatifs et induisant la mort cellulaire.
La capacité des photosensibilisateurs à générer efficacement des espèces réactives de l'oxygène (ROS) est influencée par plusieurs facteurs, notamment leur concentration, la présence de plastifiants et l'homogénéité de leur dispersion au sein de la matrice de PVC. Les adipates à longue chaîne, tels que la dopamine (DA) et l'acide oléique (OA), offrent un environnement optimal aux photosensibilisateurs, garantissant une génération optimale de ROS et une activité bactéricide maximale.
L'activité bactéricide des composites PVC a été évaluée contre Staphylococcus aureus, un pathogène courant responsable de diverses infections. Les résultats ont montré une corrélation nette entre le type de plastifiant utilisé et l'efficacité de l'inactivation bactérienne. Les adipates à longue chaîne, tels que l'acide dopaminergique (DA) et l'acide oléique (OA), ont présenté des performances supérieures, l'acide dopaminergique permettant une éradication bactérienne complète en 60 minutes d'exposition à la lumière. Ce niveau d'efficacité est attribué à la meilleure compatibilité des adipates à longue chaîne avec la matrice PVC et les photosensibilisateurs, favorisant une absorption lumineuse et une production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) plus importantes.
De plus, les composites PVC ont démontré une stabilité dans le temps et en milieu oxydant, un critère essentiel pour les applications antimicrobiennes pratiques. Surtout, aucune libération de composés toxiques n'a été observée au cours des expériences, confirmant que l'action bactéricide était uniquement due aux espèces réactives de l'oxygène (ROS) générées par les photosensibilisateurs immobilisés. Ce résultat souligne la sécurité et la durabilité de ces matériaux pour une utilisation dans des environnements où la prévention de la contamination microbienne est cruciale, tels que les dispositifs médicaux et les emballages alimentaires.
Afin de confirmer l'intégrité structurale des composites à base de PVC pendant et après le processus photodynamique, différentes techniques analytiques ont été employées. La microscopie électronique à balayage (MEB) a permis d'examiner la morphologie de surface des films, tandis que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) a fourni des informations sur la stabilité chimique des matériaux. L'analyse MEB n'a révélé aucun changement significatif dans la structure de surface des films après irradiation, indiquant que le processus photodynamique n'a pas induit de photodégradation. De même, les spectres FT-IR ont confirmé l'absence de dégradation chimique dans la matrice polymère, confortant ainsi la stabilité et la durabilité des composites de PVC dans les conditions expérimentales.
La synthèse et la caractérisation de matériaux à base de PVC pour l'inactivation photodynamique de micro-organismes pathogènes offrent une voie prometteuse pour le développement de solutions antimicrobiennes efficaces et durables. L'incorporation de plastifiants adipates à longue chaîne dans la matrice de PVC s'est avérée cruciale pour transformer le polymère en un matériau photoactif doté de propriétés bactéricides significatives. En particulier, la combinaison de didécylhexanedioate (DA) avec le photosensibilisateur PCox a permis une éradication bactérienne complète en 60 minutes d'irradiation, démontrant ainsi le potentiel de ces matériaux pour des applications pratiques dans les domaines de la santé et de la sécurité alimentaire.
Les recherches futures devraient s'attacher à optimiser la concentration des plastifiants et des photosensibilisateurs, à explorer d'autres photosensibilisateurs potentiels et à évaluer la stabilité à long terme de ces matériaux en conditions réelles. Par ailleurs, l'élargissement du champ d'étude à un plus large éventail de micro-organismes permettra de confirmer l'efficacité des composites à base de PVC comme plateforme polyvalente pour les applications antimicrobiennes photodynamiques.
