Propriétés antimicrobiennes d'un multi - Taïwan White Stone Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21427 (2022) Citer cet article

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Les surfaces tactiles à fort trafic telles que les poignées de porte, les comptoirs et les mains courantes peuvent être des points de transmission pour la propagation des agents pathogènes, ce qui souligne la nécessité de développer des matériaux qui s'auto-désinfectent activement. Les métaux sont fréquemment utilisés pour ces surfaces en raison de leur durabilité, mais de nombreux métaux possèdent également des propriétés antimicrobiennes qui fonctionnent à travers une variété de mécanismes. Ce travail étudie les alliages métalliques composés de plusieurs métaux qui possèdent individuellement des propriétés antimicrobiennes, dans le but d'obtenir un assainissement rapide à large spectre grâce à une activité synergique. Un paradigme de stabilisation motivé par l'entropie est proposé pour préparer des alliages évolutifs de cuivre, d'argent, de nickel et de cobalt. À l'aide de la pulvérisation combinatoire, des alliages à couche mince ont été préparés sur des tranches de 100 mm avec une gradation de composition d'environ 50 % de chaque élément sur la tranche. Les films ont ensuite été recuits et étudiés pour la stabilité de l'alliage. Des tests d'activité antimicrobienne ont été effectués sur les alliages tels que développés et les films recuits en utilisant quatre micro-organismes - Phi6, MS2, Bacillus subtilis et Escherichia coli - comme substituts des agents pathogènes viraux et bactériens humains. Les tests ont montré qu'après 30 s de contact avec certains des alliages testés, Phi6, un bactériophage à ARN simple brin enveloppé qui sert de substitut du SRAS-CoV-2, a été réduit jusqu'à 6,9 ordres de grandeur (> 99,9999%). De plus, le bactériophage à ADN double brin non enveloppé MS2 et les souches bactériennes Gram-négatives E. coli et Gram-positives B. subtilis ont montré une réduction de 5, 0, 6, 4 et 5, 7 log de l'activité après 30, 20 et 10 min, respectivement. L'activité antimicrobienne dans les échantillons d'alliage a montré une forte dépendance à la composition, la réduction logarithmique évoluant directement avec la teneur en Cu. La concentration de Cu par séparation de phase après recuit a amélioré l'activité dans certains des échantillons. Les résultats motivent une variété de thèmes qui peuvent être exploités pour concevoir des surfaces antimicrobiennes idéales.

Les surfaces tactiles dans les zones à fort trafic1,2,3 peuvent devenir des vecteurs de propagation de la maladie par contact indirect entre les personnes infectées et vulnérables4,5, ce qui rend essentiel le développement de matériaux auto-désinfectants efficaces contre un large éventail d'agents pathogènes. Des travaux antérieurs ont montré que les micro-organismes peuvent rester vivants ou actifs sur des surfaces pendant des heures à des jours6,7,8,9,10, y compris de nombreux agents pathogènes humains tels que le Staphylococcus aureus sensible à la méthicilline (MSSA) et le Staphylococcus aureus résistant (MRSA)11, le rhinovirus12, le virus de la grippe A13, le rotovirus14 et les virus corona tels que le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2)7,15, qui a provoqué la pandémie mondiale de 2020–202216,17. Ces longues durées de vie déterminent en partie le potentiel de propagation des agents pathogènes lors d'un contact ultérieur avec la surface18. Les surfaces à fort trafic sont souvent en métal, l'acier inoxydable (SS) étant un choix courant en raison de son coût relativement faible, de sa durabilité et de sa résistance à la corrosion ; Le SS aurait des propriétés antimicrobiennes modestes19. Parfois, le laiton (CuZn), un alliage de cuivre et de zinc, est utilisé pour les surfaces tactiles en raison de sa teinte dorée agréable, mais c'est un métal beaucoup plus doux, il est plus cher - trois fois le coût du SS au moment de la rédaction - et s'oxyde facilement ; l'oxydation verte ou noire a tendance à s'exfolier de la surface et les surfaces en laiton nécessitent donc un nettoyage régulier. Le laiton a une activité antimicrobienne connue20,21. En se concentrant sur la propagation des maladies, de nombreux métaux qui présentent une activité antimicrobienne22,23,24,25,26,27,28,29,30, tels que le cuivre (Cu), l'argent (Ag) et le cobalt (Co), ne sont pas largement utilisés en raison de leur coût et de leur tendance à s'oxyder. Chacun de ces métaux exerce une activité antimicrobienne par différents mécanismes contre divers agents pathogènes18. En tirant parti de ces mécanismes de manière synergique, un alliage en solution solide de ces éléments peut être actif contre une gamme d'agents pathogènes plus grande que la somme de ses parties, résultant en un super alliage antimicrobien.

This work focuses on the development of multicomponent alloys of CuAgCo; each of these metals achieve antimicrobial activity through different modes of action30. Copper in-particular has shown biological activity against a wide range of viruses7,22,23,24,2 protein *. J. Biol. Chem. 274, 5474–5482 (1999)." href="/articles/s41598-022-25122-4#ref-CR31" id="ref-link-section-d64682919e648"> 31 et bactéries7,30. Le mode d'action de ces systèmes a été attribué aux interactions entre les ions Cu+1/+232 et les protéines de surface qui se dénaturent, entraînant une défaillance de l'enveloppe virale33,34. L'argent métallique est utilisé comme agent antimicrobien depuis l'Antiquité35 et peut se lier aux glycoprotéines de surface du virus, perturbant la réplication25,26,36,37. Chez les bactéries, les mécanismes de désinfection de l'Ag ont été attribués à des dommages à la paroi cellulaire et aux membranes38 et à une interférence avec les fonctions cellulaires internes30,39. Il a été rapporté que le cobalt à l'état Co3+ possède des propriétés antibactériennes et antivirales27,28,29 lorsqu'il est complexé avec des chélateurs ou des ligands, potentiellement via des bases de Schiff, un mécanisme qui inactive les sites actifs des protéines40. Dans son état non oxydé, le cobalt s'est avéré efficace pour réduire la présence bactérienne39,41. En développant un alliage de ces métaux, le matériau résultant peut montrer une activité antimicrobienne due à une gamme de mécanismes, ce qui le rend simultanément efficace contre une gamme d'agents pathogènes plus grande que n'importe quel métal. De plus, les modes d'action multiformes peuvent fournir des propriétés d'assainissement accéléré.

Un défi pour ce travail est que plusieurs des alliages binaires (CoCu, AgCo, AgNi et AgCu) ne se mélangent pas pour former des alliages, par exemple ils sont non miscibles42. Pour surmonter ce défi, deux approches sont utilisées. Dans le premier cas, la pulvérisation cathodique à température ambiante est utilisée pour obtenir une solidification rapide, congelant les atomes sous forme d'alliage avant qu'ils ne puissent se séparer en phases43,44. Dans la deuxième approche, un paradigme de stabilisation basé sur l'entropie45,46 sera exploité. Ce concept de conception de matériaux propose que l'augmentation de l'entropie chimique dans un système à plusieurs composants augmente le coût de l'énergie libre de la séparation des phases et peut ainsi stabiliser les alliages d'éléments qui sont généralement non miscibles47. Cette approche a déjà été utilisée pour réaliser de nouveaux matériaux fonctionnels tels que des catalyseurs48 et des aimants49,50. Pour augmenter l'entropie chimique, un élément supplémentaire, le nickel (Ni), est ajouté pour former l'alliage à quatre composants CoCuAgNi ; le nickel possède une certaine activité antimicrobienne qui lui est propre51 mais a été choisi principalement parce qu'il est miscible à la fois avec le Cu et le Co dans toute leur gamme de composition. Dans les compositions ternaires riches en Ni, CoCuNi forme un alliage monophasé. Au cours du traitement thermique, du silicium (Si) est également introduit, diffusant à partir du substrat. Des tentatives ont également été faites pour augmenter encore l'entropie en incluant du fer (Fe) et du palladium (Pd), formant l'alliage à cinq composants CoCuAgFePd. Une enquête récente a montré une activité antimicrobienne potentielle d'un alliage à haute entropie (HEA) contenant du cuivre sur deux virus52.

Dans la présente étude, des couches épaisses d'un HEA CoCuAgNi(Si) antimicrobien proposé sont préparées par pulvérisation combinatoire et testées pour leur application potentielle en tant que surfaces auto-assainissantes. La pulvérisation combinatoire a déjà été démontrée comme une approche à haut débit pour la conception de surfaces antimicrobiennes53,54,55. L'activité antimicrobienne de l'alliage tel que préparé est testée contre quatre substituts non pathogènes représentant des agents pathogènes humains infectieux, y compris les bactériophages Pseudomonas phage Phi6, qui est similaire en taille et en structure au SRAS-CoV-2, y compris les protéines de pointe de surface56, et le phage MS2, un virus sans pointe non encapsulé et un substitut du novovirus humain57. Des tests bactériens ont été effectués sur la souche Gram-positive Bacillus subtilis NRS 231 (ATCC : 6633) et la souche Gram-négative Escherichia coli Seattle 1946 (ATCC : 25 922), qui ont servi de substituts aux souches bactériennes pathogènes. Ensuite, les films ont été recuits et l'activité antimicrobienne réexaminée. Le recuit est important car un métal déployable pour les surfaces tactiles sera probablement préparé par un traitement similaire à haute température. Pour les films tels que développés et recuits, la nanostructure et la microstructure sont évaluées pour tester le paradigme HEA et évaluer la relation structure-performance. En plus des films pulvérisés, une gamme de surfaces apparentées à un seul composant, binaires et ternaires sont également étudiées. Cette approche est conçue pour répondre à la question critique de savoir comment la distribution nanoscopique des éléments au sein d'une surface affecte son activité antimicrobienne.

Des couches minces d'alliage (CoCuAgNi) ont été préparées par pulvérisation combinatoire à température ambiante sur une tranche de Si (100) de 100 mm, comme décrit dans la section Méthodes, et illustré à titre d'illustration dans la Fig. S1 supplémentaire. La technique de pulvérisation utilise un plasma Ar accéléré pour générer une vapeur de chaque métal à des sources à un seul élément. Les éléments se mélangent à l'état de vapeur et se condensent sur le substrat Si, la solidification se produisant sur la durée de la nanoseconde, offrant peu de possibilités de diffusion aux éléments. Sans possibilité de diffusion, les éléments peuvent former un alliage métastable, même si les éléments parents sont non miscibles43,44. Des preuves d'alliage, plutôt qu'un comportement amorphe ou vitreux, peuvent être observées dans les données de diffraction des rayons X (XRD) décrites ci-dessous. Pour la pulvérisation combinatoire spécifiquement, les sources de pulvérisation sont disposées autour du substrat dans une géométrie confocale ; les régions de la plaquette proches (éloignées) d'une source ont une concentration plus élevée (inférieure) de l'élément de cette cible, ainsi un gradient de composition de ≈ 50% est atteint sur le diamètre de la plaquette.

La cartographie compositionnelle a été réalisée par microscopie électronique à balayage (SEM) avec spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX), mesurée à 17 positions sur la plaquette. Ces cartes, illustrées à la Fig. 1a, identifient les compositions aux quatre bords extrêmes de l'échantillon comme étant (Ni11Ag21Co13Cu55) (Ni22Ag54Co6Cu18) (Ni26Ag12Co39Cu23) (Ni55Ag22Co12Cu11), avec un point de composition égal situé près du centre de la tranche. Les mesures de diffraction des rayons X de l'échantillon tel que développé, Fig. 1b, montrent de larges pics à ≈39° (d = 2,31 Å) et ≈44° (d = 2,06 Å) ; ces pics s'alignent étroitement avec les composés parents : face cubique centrée (FCC) Ag (111) à 37,4° (d = 2,40 Å), Ag (200) à 43,5° (d = 2,08 Å) et FCC Ni (111) à 44,8° (d = 2,02 Å). La similitude entre ces paramètres suggère que les films après croissance possèdent une structure FCC avec une microstructure polycristalline. De plus, pour une teneur suffisante en Ag, les plus petits atomes (Co, Cu, Ni) sont intégrés dans le réseau cristallin d'Ag. En diminuant la teneur en Ag, le pic à ≈39° disparaît, tandis que le pic à ≈44° se déplace vers des angles plus élevés, indiquant que l'Ag est intégré dans le plus petit réseau de Ni. Le système est intrinsèquement contraint en raison de la grande différence de taille atomique entre l'Ag (diamètre de 160 pm) et le Ni, Co et Cu (≈135 pm)58. Une mesure brute de la distribution de phase structurelle peut être déduite du rapport des zones de pic XRD, après correction de la chute de Fresnel, du chevauchement de l'Ag (200) et du Ni (111) et du plus grand facteur de forme des atomes d'Ag. La carte résultante de la distribution de phase, Fig. 1c, confirme que le système subit une transition structurelle d'un espacement de réseau plus grand à plus petit et au point de composition égal, l'Ag est largement intégré dans le réseau CoCuNi.

( a ) Carte de composition de Ni, Cu, Ag et Co. ( b ) Diagrammes de diffraction des rayons X, pris aux positions 1 à 17, identifiés dans le panneau c. ( c ) Tracé de contour des deux phases FCC dans le système tel que développé.

Après recuit à 600 °C pendant 60 min dans un courant de gaz de formage (N2 + 5 % H2), les échantillons ont développé un contraste de surface brumeux tout en conservant une teinte métallique grise, suggérant qu'ils n'étaient pas oxydés et qu'ils sont beaucoup plus rugueux ; un recuit à 600° puis un refroidissement à l'air conduit à un oxyde de couleur bleue. Les mesures de diffraction des rayons X des films recuits sont illustrées à la Fig. 2 et sont indexées sur trois phases primaires : Ag (FCC1), (Ni, Co) Si2 (fluorite, FCC2) et (Ni, Co, Cu) Si (B20). Des travaux antérieurs ont montré que les films de CoNi développés sur des substrats de Si et recuits dans des conditions similaires absorbent le Si du substrat, formant ces phases59,60. L'identification de ces compositions particulières a été informée par des travaux antérieurs sur les systèmes NiCo/Si, et par la comparaison entre les résultats XRD et EDX. Tous les modèles XRD montrent des pics pour une phase de type Ag (FCC1) avec un paramètre de réseau de 4,077 Å, correspondant étroitement à l'Ag en vrac (4,20 Å). Les images EDX de la Fig. 3, prises au point de composition égal (identifié comme position 3 dans le diagramme) montrent des précipités d'Ag ellipsoïdaux d'environ 600 nm de diamètre entièrement éjectés du film. Bien que le paradigme HEA encourage l'alliage, ce n'est pas une garantie absolue, comme observé ici. En revenant aux règles conventionnelles de Hume-Rothery de la conception des alliages, la différence maximale de rayons atomiques pouvant être logée dans un alliage est de 15 %, tandis que la différence entre Ag et les autres métaux est > 18 % ; les règles de conception des matériaux conventionnels prédisent correctement l'immiscibilité de l'Ag. Chacun des diagrammes de phase binaire prédit également l'immiscibilité des métaux 3d avec Ag. Des précipités d'argent ont été observés dans les surfaces antimicrobiennes précédentes d'Ag-diamond like carbon (DLC), entraînant une réduction de la longévité des matériaux, mais une amélioration des propriétés antimicrobiennes à long terme54,61. L'EDX montre également Ni et Co dans les précipités. Le paramètre de réseau légèrement plus petit de FCC1 par rapport à l'Ag en vrac est probablement le résultat d'une petite quantité de Ni et Co résiduels alliés dans le réseau.

Modèles de diffraction des rayons X capturés aux positions 1 à 17 après le recuit.

( a ) Courbe de contour montrant l'intensité maximale relative de XRD pour les phases FCC après le recuit, A (50 °) / (A (47 °) + A (50 °)), où A est la zone de pic. (b) Images SEM et EDX des positions 3, 8 et 1, identifiées dans le tracé de contour. La barre d'échelle dans l'image SEM correspond à 1000 nm.

Le film sous les précipités d'Ag est composé de deux domaines distincts, identifiés par EDX comme riches en Cu et pauvres en Cu ; Les régions riches en Cu sont également identifiées comme pauvres en Si par rapport aux domaines pauvres en Cu. Les considérations initiales étaient qu'il s'agissait d'alliages (Ni,Co) et (Ni,Co,Cu)42,62, puisque le signal Si peut également provenir du substrat. Cependant, les résultats XRD ne peuvent pas être ajustés à l'aide d'alliages NiCoCu, qui sont connus pour avoir un paramètre de réseau de ≈3,52 Å42. Des travaux antérieurs59,60 ont montré que le recuit de NiCo sur une tranche de Si peut former rapidement NiSi2, CoSi et CoSi2, avec des chaleurs de formation de − 50,73 kJ/mol, − 56,00 kJ/mol et − 40,7 kJ/mol respectivement. Les travaux en cours sont encore compliqués par la présence de Cu. Le pic DRX à 47° peut être exclusivement indexé sur le pic (220) d'une structure de fluorite NiSi2, ci-après identifié FCC2, correspondant à un paramètre de maille de 5,42 Å ; cette valeur est en bon accord avec le composé parent, 5,44 Å. De même, le pic DRX à 50° peut être associé exclusivement au pic (211) d'une structure CoSi B20, correspondant à un paramètre de maille de 4,49 Å ; cette valeur est en bon accord avec le composé parent, 4,43 Å. En utilisant les pics de diffraction à 47 ° (rouge) et 50 ° (bleu), les distributions de phase relatives sont tracées à la Fig. 3. La carte de phase confirme que, près du bord Ni, le film est FCC2 monophasé (NiSi2), tandis que dans le coin NiCo, le film est B20 monophasé (CoSi). Cette distribution de phase donne également lieu à une distribution de la structure électronique du film, la phase disilicate FCC2 étant majoritairement neutre en charge63, tandis que la phase monosilicate B20 est tétravalente.

Reconnaissant que les régions riches en Cu et pauvres en Si sont proportionnelles dans les images EDX, il est proposé d'incorporer le Cu de préférence dans la structure du monosilicate B20. Sur la base de ces résultats, l'échantillon recuit peut être généralement décrit comme un film, avec des domaines de (Ni,Co)Si2 et (Ni,Co,Cu)Si, avec des précipités de (Ni,Co):Ag. La carte de distribution de phase montre de grandes régions monophasées près des positions 8 (B20) et 17 (FCC2). Les images EDX de la position 8 montrent une certaine séparation de phase chimique du Cu, bien que moins bien définie que la position 3, malgré le fait que la XRD ne montre pas de séparation de phase structurelle. Des micrographies ont été capturées en dix-sept points sur l'échantillon, approximativement au même endroit que les mesures XRD ; trois positions représentatives sont illustrées à la Fig. 3 tandis que les images restantes sont fournies dans la Fig. S2.

Des changements microstructuraux intéressants se produisent à l'approche des extrémités de la tranche recuite. En approchant du bord CoCu (position 14), l'Ag ne précipite pas sous forme de particules, mais reste dans le film, en tant que nouveau domaine. En approchant les bords Ag et AgCu (positions 1 et 6), la microstructure change de manière significative, formant un réseau de lamelles en forme de ver suggérant à des températures plus élevées qu'une seule phase peut exister et subit une décomposition spinodale en phases riches en Ag et Cu. Les lamelles sont beaucoup plus petites que les domaines ou précipités dans le reste du film, avec des largeurs de ≈65 nm. Les différentes structures, en particulier de l'Ag, peuvent entraîner différentes forces d'activité antimicrobienne64. Ces résultats suggèrent que les compositions riches en Ag et riches en CoCu peuvent être préparées sous forme d'alliages massifs et conserver tous les éléments dans des domaines d'alliage localisés. Les sections suivantes étudient l'activité antimicrobienne de la plaquette telle que développée (avec les éléments uniformément mélangés à l'échelle atomique) et de la plaquette recuite (avec des domaines de composition et des précipités d'Ag).

Une gamme de métaux à un seul composant, y compris Co, Cu, Ni et Ag, entre autres, ont été testés pour l'activité antimicrobienne contre les microbes de substitution. Les métaux pour les tests à un seul composant ont été inclus en raison de leur activité antimicrobienne signalée contre une variété d'agents pathogènes humains30 ou de leur disponibilité commerciale. Avant les tests, les surfaces ont été nettoyées avec de l'acétone pour éliminer tout microbe ou graisse contaminant, mais en laissant la couche d'oxyde native qui serait attendue sur une surface tactile déployée. Les tests ont été effectués en déposant 10 µL d'une solution aqueuse concentrée contenant l'organisme de test sur une surface de test de 25 × 25 mm2, en recouvrant la tache d'une lame de verre stérile de 25 × 25 mm2, puis en récupérant les micro-organismes en lavant la surface et en énumérant les micro-organismes vivants, comme décrit dans les Méthodes, et illustré à titre d'illustration dans la Fig. S3 supplémentaire. Cette méthodologie a été développée sur la base de travaux antérieurs65,66. Les temps de test ont été choisis en fonction du temps minimum nécessaire pour obtenir un assainissement complet avec le contrôle positif Cu, dans les limites de la procédure de mesure. Cette méthodologie de test est conçue pour simuler un contact humide, par exemple, des micro-organismes dans des gouttelettes provenant de la respiration, des éternuements ou de la toux et ne représente pas des tests de contact « sec ». Le métal Cu avait une activité antimicrobienne significative (p> 0, 05) contre Phi6 et MS2, Fig. 4a, b (et Fig. S4 supplémentaire), obtenant une réduction de 6, 9 log de Phi6 (temps de test de 30 s) et une réduction de 7, 1 log pour MS2 (temps de test de 30 min). La métrique de réduction logarithmique est une échelle centile qui est normalisée à la concentration du titre pour chaque test ; ces valeurs correspondent aux limites de détection pour chaque organisme respectif. Tous les autres métaux testés, y compris nos métaux candidats Co, Ni et Ag, ont montré une activité beaucoup plus faible. Le zinc (Zn) est également remarquable parmi les métaux testés. Il a déjà été signalé qu'il avait une activité antimicrobienne contre un large éventail d'agents pathogènes30, mais il semble ici faible (Fig. S5 supplémentaire). Le zinc n'a pas été utilisé dans la plaquette en raison de sa pression de vapeur élevée, ce qui le rend incompatible avec les systèmes de vide à usage général. Toutes les surfaces testées, autres que Cu, sont statistiquement identiques au témoin en acier inoxydable (alliage 304) ; Le 304SS est choisi comme témoin en raison de son utilisation courante pour les surfaces à fort trafic.

Activité antimicrobienne des surfaces à un seul composant (à gauche) et à plusieurs composants (à droite), testée sur (a, e) Phi6, (b, f) MS2, (c, g) E. coli et (d, h) B. subtilis. Aucun B. subtilis n'a été récupéré sur le métal Cu.

Le modèle gram-négatif Escherichia coli et le modèle gram-positif Bacillus subtilis ont également été testés sur les surfaces à un seul composant, Fig. 4c, d, respectivement. Ces mesures montrent à nouveau une forte activité de Cu. Les temps de test ont été établis sur la base de l'assainissement complet de la surface de contrôle en Cu ; rarement, un actif Phi6, MS2 ou live e. coli a été récupéré en raison de la variation statistique, cependant, aucun B. subtilis n'a été récupéré sur aucune surface de contrôle Cu après le réglage initial du temps de mesure. Alors que E. coli a connu une réduction significative de 5,9 log après 20 min de contact, correspondant à une seule colonie dénombrée dans le lavage à la concentration la plus élevée. Dans tous les dosages bactériens, l'Ag, le Co et le Ni étaient à nouveau statistiquement indiscernables du témoin SS. Ces résultats suggèrent que le contact de surface de ces matériaux en vrac peut être insuffisant pour conférer une activité antimicrobienne dans le laps de temps testé ici. Dans l'ensemble, Cu était le métal le plus efficace pour réduire l'activité microbienne à la fois dans les phages et les bactéries. Cette forte activité a motivé son utilisation comme contrôle positif dans des essais ultérieurs.

Deux alliages de laiton (alliage 360, Cu0.6Zn0.4 et alliage 260, Cu0.7Zn0.3) ont également été examinés dans des essais de contact, Fig. 4e – h ; ces alliages contenaient à la fois des matériaux antimicrobiens Cu et Zn (Fig. S6 supplémentaire). Les essais effectués avec Phi6 sur les alliages 260 et 360 n'ont donné lieu à aucune plaque dénombrable après 30 s d'exposition, identique au Cu pur. Pour l'autre phage, MS2, l'activité antimicrobienne était supérieure à celle de toutes les surfaces à un seul composant, à l'exception du Cu pur ; l'alliage 260 a obtenu une réduction logarithmique de 5,3, tandis que l'alliage 360 a obtenu une réduction logarithmique de 4,0. Les tests effectués sur les bactéries ont montré une tendance similaire, les alliages riches en Cu affichant une forte activité antimicrobienne : E. coli a montré une réduction logarithmique de 5,6 sur l'alliage 260 et aucune bactérie n'a été récupérée sur l'alliage 360, tandis que B. subtilis a connu une réduction logarithmique de 4,5 et 5,2 sur les alliages 260 et 360, respectivement.

Les résultats ci-dessus soutiennent ensemble un thème selon lequel la teneur en Cu influence fortement l'activité antimicrobienne dans les essais de contact. Dans une surface déployée, le Cu devrait être oxydé et présent sous forme de CuO divalent ou de Cu2O monovalent. Bien que les coupons de Cu testés aient une couche d'oxyde native, on s'attend à ce qu'il s'agisse d'un mélange des deux états. Le Cu oxydé peut être préparé dans l'un ou l'autre état en recuit des coupons de Cu dans l'air comme décrit précédemment67. Des coupons ont été préparés avec des surfaces oxydées CuO et Cu2O. Les essais de contact effectués sur des coupons oxydés de CuO, Fig. 4e – h, ont montré une activité antimicrobienne comparable à celle du cuivre vierge, avec des réductions logarithmiques de 6, 5 et 4, 8 pour Phi6 et MS2, et aucun E. coli ou B. subtilis n'a été récupéré. Les films de Cu2O montraient toujours une activité antimicrobienne, mais avaient tendance à être plus spécifiques aux microbes, avec des réductions logarithmiques de 2,8, 4,9, 5,8 et 4,5 pour Phi6, MS2, E. coli et B. subtilis, respectivement. Ces résultats suggèrent que l'oxyde divalent (Cu+2) possède des propriétés antimicrobiennes plus fortes que le monovalent (Cu+1).

Dans l'enquête préliminaire finale, l'activité antimicrobienne de l'alliage contenant du Cu (Cu55Zn28Ni14Mn2) a été évaluée. Cet alliage est un matériau candidat pour la nouvelle génération de monnaie frappée68, ce qui le rend très pertinent en tant que surface tactile à fort trafic. Les pièces actuellement en circulation aux États-Unis sont des alliages de Ni (8,3% ou 25%) et de Cu, ou sont revêtues de Cu dans le cas du penny. Les tests de contact ont montré une activité significative (p <0, 05) contre Phi6 (réduction logarithmique de 3, 2) et E. coli (4, 5) (Fig. S4 supplémentaire). Cependant, l'activité antimicrobienne contre MS2 (2,0) et B. subtilis (0,5) était statistiquement identique au contrôle en acier inoxydable 304. Cet alliage est de composition similaire à l'alliage de laiton 360, cependant, son activité antimicrobienne est nettement inférieure, ce qui suggère que la teneur en Cu n'est pas le seul facteur de motivation de l'activité.

Des films minces composés des métaux antimicrobiens Cu, Ag, Co et Ni ont été préparés par pulvérisation cathodique et segmentés en huit coupons, correspondant aux étiquettes 1 à 8 sur la figure 5a, pour des tests dans des essais de contact ; la composition au centre de chaque coupon est répertoriée dans le tableau 1. Comme indiqué ci-dessus, la transformation rapide de la phase gazeuse en un film solide qui est obtenue avec la technique de pulvérisation prépare le film tel que développé sous la forme d'un alliage homogénéisé43,44. L'activité antimicrobienne de chaque coupon a été utilisée dans la préparation d'une carte thermique, illustrée pour chaque organisme à la Fig. 5, avec la représentation quantitative du graphique à barres illustrée dans la Fig. S6 supplémentaire. Pour Phi6, les traitements avec les puces 2 et 5 ont entraîné les plus grandes réductions d'activité (p < 0,05), presque à la limite de détection et comparables au Cu pur. L'activité antimicrobienne a diminué séquentiellement dans les coupons 6, 3, 8, 4, 7 et 1. En comparant la Fig. 5a à la Fig. 1a, l'activité antimicrobienne (réduction logarithmique) contre Phi6 suit de près la teneur en Cu. Les tests contre le phage MS2 (Fig. 5b) ont eu une tendance similaire, les coupons 5, 2 et 3 montrant la plus forte activité (définie comme comparable au Cu pur) et diminuant avec la teneur en Cu. Les coupons ont montré une activité plus large contre E. coli et B. subtilis, Fig. 5c, d, respectivement, les coupons 2, 5 et 6 montrant une forte activité antimicrobienne. Pour E. coli, l'activité antimicrobienne a continué à montrer une dépendance directe sur la teneur en Cu, similaire à Phi6 et MS2, cependant, la carte thermique suggère que la composition la plus active contre B. subtilis est proche du point d'equacomposition.

Carte thermique de la réduction logarithmique sur les puces à couche mince de (a) Phi6, (b) MS2, (c) E. coli et (d) B. subtilis ; réduction logarithmique sur les puces recuites de (e) Phi6, (f) MS2, (g) E. coli et (h) B. subtilis.

Dans tous les tests, le coupon #1 (Cu23Co40Ni25Ag12) a montré la moindre activité antimicrobienne. Ceci est remarquable car les diagrammes de chaleur ont tendance à indiquer une forte dépendance à la teneur en Cu, cependant le coupon n° 1 n'était pas la composition en Cu la plus faible, les coupons 4, 7 et 8 étaient tous inférieurs ; le coupon #1 a la plus grande teneur en Co (40%). Ce résultat suggère à nouveau que les niveaux de Cu ne sont pas complètement à l'origine de l'activité de l'alliage. Enfin, aucun des graphiques ne montre de sensibilité de la distribution structurelle illustrée à la Fig. 1c.

Les films minces ont été recuits, ce qui a entraîné la séparation de phases discutée ci-dessus et montrée dans les micrographies de la figure 3, puis testées pour l'activité antimicrobienne. Les résultats des tests sont présentés dans les cartes thermiques, Fig. 5e – h, et dans les graphiques à barres de la (Fig. S7 supplémentaire). Les tests sur Phi6, Fig. 5e, ont de nouveau montré une forte activité du coupon 2 qui était statistiquement identique au coupon 2 tel que développé. Cependant, le coupon 5 présentait une réduction statistiquement significative de l'activité antimicrobienne contre Phi6 (p <0,05) par rapport à son homologue allié tel que développé. Toutes les autres puces ont montré une activité accrue après recuit, mais seule la puce 7 a montré une augmentation statistiquement significative (p < 0,05).

Les cartes thermiques pour MS2 et E. coli montrent des tendances d'activité similaires entre les échantillons bruts et recuits. Contre MS2, la plaquette recuite montre une activité légèrement accrue, tandis que E. coli montre une légère diminution. Cependant, aucune des deux tendances n'a montré de différence statistiquement significative entre les surfaces d'essai brutes de croissance et recuites.

Enfin, B. subtilis a été testé et les coupons 2 et 5 ont de nouveau montré une activité significative (Fig. 5h et S7). Cependant, contrairement aux autres agents pathogènes, les autres coupons ont montré une forte réduction d'activité par rapport à l'échantillon allié. Les coupons 1 et 3 montraient toujours une activité plus forte par rapport au contrôle SS, tandis que les coupons restants (8, 6, 7 et 4) étaient statistiquement identiques au contrôle SS. Le processus de recuit a entraîné une perte significative d'activité antimicrobienne sur les puces 3, 6, 4 et 7 (p <0, 05), qui provenaient des régions lourdes de Ni et Co, par rapport aux puces telles que développées.

Les données ci-dessus montrent l'activité antimicrobienne des surfaces de contact pour une variété de matériaux d'ingénierie courants et un film mince allié et à phases séparées. Quatre métaux ont été choisis en fonction de leur activité antimicrobienne précédemment signalée (cuivre, cobalt, nickel et argent) et préparés sous forme de film mince allié qui ont ensuite été recuits, entraînant une absorption de Si et une séparation de phase. Alors que le paradigme de conception des matériaux proposait de réaliser un alliage, stabilisé par son entropie chimique, la séparation de phase montre que cela n'a pas réussi, le recuit a entraîné une séparation de phase. Cependant, cela a permis de tester le rôle de la microstructure et de la distribution chimique. Des tests de viabilité de contact ont été effectués sur deux bactériophages de substitution et deux bactéries, représentatives des agents pathogènes humains courants.

Le thème dominant tout au long de la mesure était l'activité antimicrobienne écrasante du cuivre contre tous les organismes de substitution. Sur Cu pur, Phi6, le substitut SARS-CoV-2 a été inactivé de près de 7 ordres de grandeur après seulement 30 s. Chacun des trois autres micro-organismes a également été significativement réduit à la limite de détection après < 30 min. La forte activité antimicrobienne du Cu est conforme aux rapports précédents32,34. Plusieurs mécanismes d'action ont été proposés pour soutenir l'activité antimicrobienne du Cu, y compris la perturbation de la membrane, l'inactivation enzymatique, la génération d'espèces réactives de l'oxygène et le matériel génétique dénaturant. En comparaison, les métaux et les oxydes ne contenant pas de cuivre ont individuellement réduit l'activité de tous les micro-organismes d'environ un seul ordre de grandeur sur la même durée de test. Ces résultats étaient inattendus en raison de l'activité antimicrobienne bien connue du Zn et de l'Ag en particulier. Cela peut être le résultat de la microstructure qui semble être liée à l'activité antimicrobienne, en particulier pour l'Ag. Ces métaux n'ont pas été traités avant les tests et ont donc probablement une couche d'oxyde natif, ce qui peut réduire leur activité. Cependant, une grande partie de l'activité antimicrobienne signalée met l'accent sur le rôle du cation, qui a généralement un état d'oxydation de + 2 et se trouverait dans bon nombre de ces surfaces d'oxyde natif.

L'activité antimicrobienne de Cu et de ses deux oxydes communs, CuO et Cu2O, représentant respectivement Cu divalent et monovalent, a été testée. Les deux oxydes ont montré une forte activité, le Cu2O monovalent étant légèrement moins efficace contre Phi6 (p < 0,05). La distinction entre les deux oxydes de cuivre est l'état de valence du cuivre, Cu2+ pour CuO et Cu1+ pour Cu2O. Des travaux antérieurs ont souligné le rôle critique des ions Cu dans l'obtention d'une activité antimicrobienne contre les micro-organismes. Par exemple, dans les tests viraux, les ions Cu1+ étaient responsables de la génération de radicaux hydroxyle qui ont conduit à la désactivation du virus de la grippe32 et Cu2+ a montré une activité contre les virus enveloppés et non enveloppés69. Alors que dans les systèmes bactériens, Cu1+ serait plus toxique pour les bactéries32 et peut initier un cycle redox qui peut endommager les processus cellulaires clés. En raison de la courte durée des tests, il est peu probable que les microbes aient provoqué une corrosion de surface, d'autant plus qu'aucune baisse d'activité des contrôles métalliques n'a été observée70,71. Ensuite, deux laitons ont été testés : l'alliage 360 (Cu0.6Zn0.4) et l'alliage 260 (Cu0.7Zn0.3). L'alliage 260, qui a une teneur en Cu plus élevée, avait une activité antimicrobienne plus forte et statistiquement identique dans notre test au Cu pur. Enfin, un prototype de monnaie similaire au laiton, Cu55Zn28Ni14Mn2, a montré une activité antimicrobienne modérée contre Phi6 et E. coli, mais une faible activité contre MS2 et B. subtilis. C'était surprenant car la monnaie a une composition similaire à celle de l'alliage de laiton 360, mais remplace 14% du Zn par du Ni. Le Ni est inclus pour ses qualités anticorrosion, soutenant l'idée que la surface oxydée est importante pour obtenir une activité antimicrobienne.

Compte tenu de l'activité antimicrobienne du film mince tel que préparé (allié), les données suggèrent que, pour tous les organismes, la teneur en Cu est un facteur principal de l'activité antimicrobienne. L'activité antimicrobienne de la plaquette alliée contre Phi6 (Fig. 5a) est tracée en s'éloignant de la cible Cu à travers le rayon équatorial de la plaquette sur la Fig. 6a. On s'attend à ce que ces données soient sigmoïdales, les concentrations élevées et faibles de Cu dépendant peu de l'at.% Cu. En effet, les données étaient bien ajustées avec une variété de fonctions sigmoïdales, avec une fonction logistique à 5 paramètres illustrée sur la figure. Notamment, la région 10–65 at.%, qui représente la composition explorée sur la plaquette, est hautement linéaire ; un ajustement à ces données renvoie une ligne : Log(A) = 0,094 x + 1,04, où A est l'activité antimicrobienne totale et x est l'at.% Cu. Cette équation peut être arrangée pour résoudre l'activité totale : $A={A}_{0}{e}^{cx}$, où l'ordonnée à l'origine (x = 0) correspond à l'activité inhérente à 0 % Cu (A0 = 10,9, correspondant à une réduction logarithmique de 1,04), et c est une constante de corrélation de l'activité antimicrobienne dérivée du cuivre (0,094). La valeur de A0 correspond bien à l'activité de l'acier inoxydable, qui a montré une réduction de A = 9,6 (réduction logarithmique de 0,98) pour Phi6 sur la durée du test. La concordance de ces valeurs confirme l'inactivité relative de l'acier inoxydable.

Coupes de ligne de l'activité antimicrobienne pour (a) Phi6, (b) MS2, (c) E. coli et (d) B. subtilis, prises à travers le rayon équatorial des plaquettes entre Cu et Ni.

Une autre caractéristique importante des données sur les alliages est que, dans la plage de composition étudiée (10–65 at.%), les données ne montrent aucun aplatissement à des concentrations élevées ou faibles. Ceci est remarquable car cela implique que, même à des concentrations relativement diluées, le cuivre contribue toujours à l'activité antimicrobienne. En d'autres termes, la densité critique du cuivre pour obtenir une certaine activité antimicrobienne est inférieure à 10 at.% - la concentration la plus faible testée ici.

Alors que la plaquette alliée montre une dépendance claire à la teneur en Cu, l'échantillon recuit, également représenté sur la figure 6a, est beaucoup moins clair. Le rayon pour l'échantillon recuit montre une baisse d'activité appréciable pour les fortes concentrations et une activité accrue pour les faibles concentrations. Cette différence peut être comprise en considérant la séparation de phase rapportée ci-dessus. Plus précisément, les images EXD (Fig. 3) ont montré que le Cu est concentré dans des domaines chimiques spécifiques du film, ce qui donne des domaines riches en Cu et pauvres en Cu. En conséquence, la couverture de surface effective du cuivre sur le film diminue. Cependant, les domaines riches en Cu montreront une activité exponentiellement accrue, comme le montrent les échantillons alliés. Étant donné que l'activité antimicrobienne dépend de manière exponentielle de la teneur en Cu, tandis que la couverture surfacique change de manière linéaire, l'activité antimicrobienne résultante dans les échantillons recuits est augmentée. Cependant, à des concentrations plus élevées de Cu, l'activité antimicrobienne est déjà extrêmement forte, de sorte qu'une concentration supplémentaire de Cu n'augmente pas l'activité. Autrement dit, l'ajustement sigmoïdal montre que l'augmentation de la concentration de Cu au-delà de 65 at.% n'augmente pas de manière significative l'activité antimicrobienne sur les délais testés - les phages sont déjà inactivés. Par conséquent, la séparation de phase ne contribue qu'en diminuant la couverture de surface et réduit donc l'activité antimicrobienne apparente.

Les autres organismes sont illustrés à la Fig. 5b – d. Parmi ceux-ci, MS2 montre une tendance similaire, bien que plus faible, à Phi6, avec une activité diminuée (augmentée) après recuit à des concentrations de Cu plus élevées (plus faibles). E. coli a montré une légère augmentation (non statistiquement significative) de l'activité dans l'échantillon recuit, mais en général la tendance a très peu changé. Enfin, B. subtilis a montré une diminution significative de l'activité avec le recuit. Une raison possible de cette diminution d'activité est la grande taille de B. subtilis, qui mesure 4 à 10 µm de longueur et 0,5 µm de diamètre, par rapport à E. coli, qui mesure 1 à 2 µm de longueur et 0,5 µm de diamètre. Ces deux échelles de longueur sont plus grandes que les domaines chimiques (≈700 nm) après la séparation des phases, mais le B. subtilis peut être suffisamment grand pour pouvoir isoler les régions endommagées par le cuivre. Il est important de noter que dans cette parcelle, à des concentrations élevées de Cu, la plaquette est capable de tuer complètement les bactéries.

La figure 6 montre également que le temps de test pour chaque organisme (30 s pour Phi6, 30 min pour MS2, 20 min pour E. coli et 10 min pour B. subtilis) capture une gamme d'efficacités, y compris la désinfection complète. Les différences significatives entre ces temps de test peuvent mettre en évidence des différences physiologiques critiques entre les micro-organismes qui déterminent leur sensibilité à la surface métallique. Plus précisément, Phi6, le phage enveloppé, a eu le temps de test le plus court et est donc le plus susceptible d'être attaqué par le Cu à la surface. Cela peut indiquer que Cu, ou les oxydes natifs, dégradent rapidement la membrane d'enveloppe ou traversent facilement la membrane, entraînant une inactivation. Les temps de test beaucoup plus longs (60 × plus longs) pour le MS2 suggèrent que la capside protéique qui entoure le MS2 offre une protection significative contre les propriétés antimicrobiennes du Cu. Une autre différence clé entre Phi6 et MS2 est que Phi6 a des protéines de pointe, qui sont responsables de la liaison à l'hôte bactérien, tandis que MS2 n'a pas une telle structure. L'activité antimicrobienne du Cu peut être obtenue en dégradant, ou autrement en dénaturant, la structure des protéines de pointe, obtenant une inactivation rapide.

En comparant les bactéries, les temps de test sont également beaucoup plus longs que Phi6, mais cela peut simplement être une conséquence de leur taille beaucoup plus grande. Entre E. coli et B. subtilis, le temps de test plus court de B. subtilis, qui est également une bactérie plus grande, suggère qu'il est plus sensible à l'activité antimicrobienne basée sur le contact. Ceci est quelque peu surprenant car B. subtilis est le substitut gram-positif, ce qui signifie qu'il a une paroi cellulaire extérieure, composée de peptidoglycane enchevêtré avec des acides téichoïque et lipotéichoïque de paroi, qui collectivement à partir de feuilles de charge anionique. Ces couches agissent comme une barrière semi-perméable qui régule le mouvement des cations, par liaison, et devrait protéger la membrane plus fragile de la surface métallique réactive72. D'autres études au-delà de la portée de ce travail sont nécessaires pour élucider les différents modes d'action dans ces systèmes.

En résumé, ce travail a étudié une gamme de matériaux en tant que surfaces tactiles antimicrobiennes candidates à fort trafic73. Quatre métaux spécifiques (Co, Ni, Cu et Ag) ont été choisis sur la base de la littérature précédente et préparés sous la forme d'un alliage à entropie moyenne à couche mince. Lors du recuit, l'alliage a absorbé Si du substrat et la phase s'est séparée en régions Ag, riches en Cu et pauvres en Cu. Les matériaux candidats ont été testés contre quatre micro-organismes qui sont des substituts d'agents pathogènes humains viraux et bactériens courants. Les résultats collectifs soulignent l'activité antimicrobienne écrasante de Cu. Les principaux résultats étaient que (1) le Cu était un agent antimicrobien efficace même à de faibles concentrations, (2) l'inclusion d'éléments anticorrosion avait tendance à supprimer l'activité antimicrobienne et (3) l'activité antimicrobienne dépendait de manière exponentielle de la concentration en Cu. Ce dernier résultat a été mis en balance avec la densité surfacique de Cu dans les films séparés en phases (recuits), augmentant l'activité antimicrobienne sans ajouter davantage de Cu. En complément de ces conclusions, l'absence d'activité synergique, notamment dans l'alliage, est une observation importante. Bien que des tests supplémentaires doivent être effectués pour identifier les qualités qui sont importantes pour un alliage déployable (telles que la résistance à l'usure et la réponse allergène au nickel inclus), ces résultats fournissent des informations importantes sur le rôle de la microstructure dans la conception d'un tel matériau. Ensemble, ces résultats démontrent que les alliages contenant du cuivre sont des surfaces tactiles antimicrobiennes efficaces et offrent une variété d'informations soutenant le développement de surfaces désinfectantes efficaces.

Certains alliages à un seul élément et binaires ont été achetés auprès de McMaster Carr, notamment Sn, Cu, SS304, Brass 360 (Cu60Zn40) et Brass 260 (Cu70Zn30); il s'agissait de matériaux de qualité industrielle. La plaque d'argent (99,9 %) a été achetée chez Sigma Aldrich. L'échantillon de Si était une plaquette monocristalline de qualité semi-conductrice (100). SiO2 était une lame de microscope en silice fondue. Tous les matériaux ont été utilisés tels que reçus sans aucun traitement de surface. Les oxydes de cuivre (I) et (II) ont été préparés en recuit une plaque de cuivre dans l'air à 300 ° C et 350 ° C, respectivement, pendant 3 h, puis en refroidissant passivement à température ambiante, également dans l'air.

Des plaquettes combinatoires ont été préparées par pulvérisation magnétron dans une atmosphère d'Ar à partir de sources à un seul élément, orientées de manière confocale autour d'une plaquette de Si (001) avec un revêtement d'oxyde natif. Le dépôt a été effectué à température ambiante. La plaquette n'a pas été tournée pendant le dépôt, ce qui a entraîné des gradients de composition à travers l'échantillon avec une épaisseur de film cible d'environ 200 nm. Les compositions ont été contrôlées en ajustant la puissance aux sources de pulvérisation, résultant en un point approximativement équicompositionnel situé au centre de la plaquette. Une mesure précise des compositions a été déterminée en utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'électrons (EDX) en 17 points le long de huit directions orientées radialement à partir du centre de la tranche. Ces mesures ont également capturé des cartes de vue en plan spécifiques à l'élément de la distribution de la composition locale. Quatre alliages de plaquette tels que développés ont été préparés, un pour chaque micro-organisme de substitution. Les échantillons recuits ont ensuite été chauffés sous vide (< 10-6 Torr) ou sous forme de gaz (4% H2 dans N2) à 600 ° C et maintenus pendant 1 h, puis laissés refroidir passivement pendant la nuit.

Les mesures de diffraction des rayons X (XRD) ont été effectuées à l'aide d'une source Cu K-α (λ = 1,5406 Å). L'axe de rotation de l'échantillon (θ) était fixe et l'échantillon illuminé avec un faisceau en forme de point, tandis que l'axe 2θ était balayé de 20° à 80°. Le faisceau ponctuel a été produit à l'aide d'un museau avec une ouverture de 5 mm de diamètre. L'échantillon a ensuite été translaté et la mesure répétée, capturant le motif XRD à partir de 17 points, coïncidant approximativement avec les mesures EDX.

Une microscopie électronique à balayage (SEM) a été réalisée sur les échantillons tels que développés et recuits en utilisant une tension d'accélération de 15 keV et un détecteur d'électrons rétrodiffusés. La spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), y compris le spectre et la cartographie spatiale, a été réalisée à l'aide d'un détecteur à dérive de silicium sans cryogène.

La composition de la devise du prototype était de 14,4 % en poids. % Ni, 28,1 en poids. % Zn, 2,3 en poids. % Mn, reste Cu. Une seule pièce était disponible pour les tests de contact. Les puretés initiales des matériaux de départ à éléments purs étaient de 0,9995 + Cu, Ni et Zn et de 0,99 + Mn. Des feuilles des alliages commerciaux C71300 (Cu-25Ni) et C77000 (Cu-18Ni27Ni)3 ont été fournies par l'US Mint pour la caractérisation et la comparaison avec les alliages prototypes conçus. Les pièces ont été préparées comme décrit par Lass et al.68.

La bactérie Pseudomonas Syringae var. phaseolicola (Centre de référence Félix d'Hérelle pour les virus bactériens, Université Laval, QC Canada) a été utilisé pour le titrage des phages et la propagation des phages du phage Psuedomonas Phi6. Escherichia Coli C3000 (ATCC 15597, American Type Culture Collection, VA USA) a été utilisé pour le titrage des phages et la propagation des phages du phage E. coli MS2 (ATCC 15597-B1). La souche Escherichia coli FDA Seattle 1946 (ATCC 25922) a été utilisée comme souche Gram négatif modèle pour les tests bactéricides. Bacillus subtilis subsp. spizizenii NRS 231 (ATCC 6633) a été utilisé comme souche gram positive modèle pour les tests bactéricides. Toutes les souches ont été stockées à - 80 ° C dans une infusion cœur-cervelle (BHI) additionnée de 15% (wt/vol) de glycérol. Des cultures de P. syringae ont été cultivées sur des plaques de gélose Lysogeny Broth (LB) à 25 ° C. Les cultures d'une nuit ont été inoculées avec une seule colonie à partir d'une plaque de stries dans du bouillon LB et cultivées à 25 ° C dans un bain-marie agité à 160 tr / min. Les deux souches d'E. coli ont été cultivées sur des plaques de gélose LB à 37 ° C, et des cultures d'une nuit ont été préparées comme décrit précédemment et incubées à 37 ° CB des cultures de subtilis ont été cultivées sur des plaques de gélose BHI à 37 ° C, et des cultures d'une nuit ont été préparées dans du milieu BHI et cultivées à 37 ° C.

Les stocks de phages pour ce projet ont été amplifiés par la méthode du lysat sur plaque. Une aliquote de culture d'une nuit (30 μL pour MS2 et 300 μL pour Phi6) et 100 μL de la dilution de phage dans une solution saline tamponnée au phosphate pH 7,4 (PBS) ont été aliquotées dans 3 à 3,5 mL d'agar de recouvrement LB après équilibrage à 45 ° C. Le mélange a été vortexé brièvement, versé sur la sous-couche de gélose et laissé se solidifier pendant 20 à 30 min. Les plaques ont ensuite été incubées pendant 18 à 24 h à 25 °C pour Phi6 ou 37 °C pour MS2. Cinq ml de PBS stérile ont été aliquotés sur chaque plaque avec lyse confluente et laissés reposer pendant 1 à 2 h. Le tampon a ensuite été retiré de la plaque avec une pipette sérologique, centrifugé à 5 000 g pendant 10 min à 4 ° C pour éliminer les débris, puis filtré à l'aide d'un filtre à seringue en acétate de cellulose sans tensioactif (SFCA) de 0, 20 μm (Corning, Incorporated, Corning, NY). Ce stock stérilisé sur filtre a ensuite été concentré par centrifugation à 12 000 g pendant 2 h, le surnageant a été éliminé par pipette sérologique et le culot de phage a été remis en suspension dans du PBS stérile par incubation statique pendant une nuit à 4 ° C. Les stocks de base de Phi6 ont été stockés à - 80 ° C dans du PBS additionné de 15% (v / v) de glycérol, les stocks de travail ont été préparés par lysat de plaque et concentration de centrifugeuse à partir de stock de base fraîchement décongelé avant chaque expérience et stockés à court terme à 4 ° C. Tous les stocks de MS2 ont été stockés à 4 °C.

Les stocks bactériens pour les tests bactéricides ont été préparés en inoculant un tube de 5 ml du milieu de croissance approprié 1:100 avec une culture d'une nuit des bactéries testées et incubés dans un bain-marie agité à 37 ° C à 160 tr/min jusqu'à ce que la DO600 atteigne 0,2. La culture a ensuite été centrifugée à 5000 g pendant 10 min, le surnageant a été jeté et le culot bactérien a été remis en suspension dans 500 μL de PBS et immédiatement utilisé pour le test.

L'activité antimicrobienne a été déterminée par des tests de contact, adaptés (avec modification) des méthodes décrites dans Haldar et al. et Nakajo et al. 65,66. Toute la préparation et les tests ont eu lieu dans une enceinte de sécurité biologique de classe II. Avant l'exposition, tous les matériaux de test ont été brièvement lavés dans de l'acétone et, une fois séchés, chaque matériau a été placé dans une boîte de Pétri stérile de 60 × 15 mm. Chaque micro-organisme a été exposé à des coupons frais (non testés) de Cu, Ag, Ni, Co, oxydes et laiton (2,5 × 2,5 cm2). Les tranches d'alliage ont été segmentées en 8 puces de 2,5 × 2,5 cm2 et chaque micro-organisme a été testé sur un seul ensemble de puces. Tous les essais de contact ont été effectués en triple et à des occasions distinctes. Pour effectuer le test, 10 μL d'un stock de travail du microbe de test ont été déposés au centre du matériel de test, recouverts d'une lame de verre carrée de 25 × 25 mm2 et incubés à température ambiante pendant le temps d'exposition désigné : Phi6 30 s, MS2 pendant 30 min, E. coli pendant 20 min et B. subtilis pendant 10 min. Une fois le temps d'exposition écoulé, la lame a été séparée du matériel de test par une pince décontaminée à l'éthanol à 70%, et le matériel de test et la lame ont été lavés trois fois avec une seule aliquote de 990 μL de PBS dans la boîte de Pétri. Le lavage a été immédiatement collecté dans un tube de microcentrifugeuse stérile de 1,5 ml, puis dilué en série dans du PBS et dénombré par gélose à double couche pour les phages et par étalement pour les bactéries; le dénombrement a été effectué avec 100 μL de la solution diluée. Après les tests, tous les matériaux ont été immédiatement décontaminés dans de l'éthanol à 70 % pendant 30 min, puis rincés à l'eau déminéralisée, séchés et rincés à l'acétone avant stockage sous vide.

Pour évaluer l'efficacité de chaque traitement au métal, la réduction logarithmique a été calculée à partir des numérations brutes de phages et de microbes. Un test de Shapiro-Wilks a été effectué et si les données ne respectaient pas les hypothèses de normalité, une transformation de rang a été appliquée. Une analyse de variance unidirectionnelle (ANOVA) (p < 0,05) a été réalisée sur les données (normales et transformées) pour déterminer toute différence significative avec le logiciel statistique JMP Pro 14.2 (SAS Institute, Cary, NC).

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été soutenue par la Science Alliance de l'Université du Tennessee à Knoxville, dans le cadre de la bourse du programme de cohorte collaborative JDRD. Les tests antimicrobiens ont été en partie soutenus par le prix NSF 2028542.

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Dustin A. Gilbert

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DAG, TD, AFMYY et PDR ont conçu et conçu les expériences. AFM, DB et TD ont mené les expériences microbiennes. DAG et PDR ont fabriqué les plaquettes et EL a fabriqué le prototype de monnaie. DAG, CSJ, WL et NT ont effectué la caractérisation des matériaux. AFM, DAG et TD ont rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont contribué à la discussion et à la révision du manuscrit.

Correspondance à Dustin A. Gilbert.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Murray, AF, Bryan, D., Garfinkel, DA et al. Propriétés antimicrobiennes d'un alliage multi-composants. Sci Rep 12, 21427 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25122-4

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Reçu : 30 septembre 2022

Accepté : 24 novembre 2022

Publié: 11 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-25122-4

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