Antibacterial Mechanisms of Pristine Zinc-Based Layered Double Hydroxides - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Antibacterial Mechanisms of Pristine Zinc-Based Layered Double Hydroxides

Mécanismes antibactériens des hydroxydes doubles lamellaires à base de zinc

Abstract

Layered double hydroxides (LDH) are solid compounds constituted by the stacking of divalent M(II) and trivalent M(III) metal hydroxide sheets separated by an interlayer of anions and water molecules. Due to the versatility of LDH in terms of their tunable physico-chemical properties, a growing interest arises for investigating their different antibacterial activity mechanisms. This thesis work aims at studying the different proposed hypotheses explaining the antibacterial effect of pristine zinc-based LDHs: (1) direct interactions between the surface of LDH and bacterial cell walls, (2) release of constituent divalent metal ions, (3) generation of reactive oxygen species (ROS). First a global investigation was performed to determine the different physico-chemical parameters influencing the antibacterial activity of pristine M(II)Al(III) LDHs (M= Zn, Cu, Ni, Co, Mg). The antimicrobial effect of LDHs against Gram-positive Staphylococcus aureus and Gram-negative Escherichia coli bacteria was linked in the first place to the nature of divalent metal itself, and to the amount of released M2+aq ions into the culture media in the second place. This effect was more easily identified in Zn(II)-based LDHs possessing the strongest antibacterial activity and whose antibacterial properties depended on their release profile of Zn2+aq ions (Mechanism 2) initially controlled by the different physico-chemical parameters. Moreover, the direct contact mechanism (Mechanism 1) was validated for Zn(II)-based LDHs by comparing the antibacterial activity of micron-sized LDHs against S. aureus to that of LDH nanoparticles (NPs) exhibiting a greater antibacterial effect. The presence of specific surface interactions between Zn(II)-based LDHs and the cell wall of S. aureus was further validated by atomic force microscopy-based force spectroscopy (AFM-FS). The enhancement of the antibacterial properties of Zn(II)-based LDH NPs by ROS generation (Mechanism 3) in presence of UVA light was also assessed. After providing experimental evidences about the three suggested mechanisms, the role of each mechanism contributing to the antibacterial activity of Zn(II)-based LDHs in different antibacterial tests assays was determined.
Les hydroxydes doubles lamellaires (HDL) sont des composés solides constitués par un ensemble de feuilles d'hydroxydes métalliques divalents M(II) et trivalents M(III) entre lesquels s’insèrent des anions et des molécules d’eau. En raison de la flexibilité des HDL en termes de propriétés physico-chimiques, l’étude des différents mécanismes antibactériens qui leurs sont associés présente un intérêt croissant. Ce travail de thèse vise à étudier différentes hypothèses proposées pour explique l'effet antibactérien des hydroxydes doubles lamellaire (HDL) à base de zinc : (1) interactions directes entre la surface des HDL et les parois bactériennes, (2) libération d'ions métalliques divalents en solution depuis les feuillets des HDL, (3) génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Lors d’une première étude, une investigation globale a été réalisée pour déterminer les différents paramètres physico-chimiques influençant l'activité antibactérienne des HDLs M(II)Al(III) (M= Zn, Cu, Ni, Co, Mg). L'effet antimicrobien des HDLs contre les bactéries Gram-positives Staphylococcus aureus et Gram-négatives Escherichia coli a été corrélé en premier lieu à la nature du métal divalent, et en second lieu à la quantité d'ions M2+aq libérés dans le milieu de culture. Cet effet était plus prononcé pour les HDLs à base de Zn(II) possédant la plus forte activité antibactérienne et dont les propriétés antibactériennes dépendent du profil de libération des ions Zn2+aq (Mécanisme 2) contrôlée initialement par les différents paramètres physico-chimiques étudiés. De plus, rôle du contact direct (Mécanisme 2) a été validé pour les HDLs à base de Zn(II) en comparant l'activité antibactérienne d’HDLs de taille micrométrique contre S. aureus à celle des nanoparticules (NPs) d’HDL présentant un effet antibactérien supérieur. La présence d'interactions spécifiques entre les HDLs à base de Zn(II) et la paroi de S. aureus a été validée par microscopie à force atomique en mode spectroscopie de force (AFM-FS). L'amélioration des propriétés antibactériennes des NPs d’HDL à base de Zn(II) par la génération de ROS (Mécanisme 3) en présence de lumière UVA a également été évaluée. Après avoir fourni des preuves expérimentales sur les trois mécanismes suggérés, la contribution de chaque mécanisme dans l'activité antibactérienne des HDLs à base de Zn(II) a été déterminé.
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Cite

Jazia Awassa. Antibacterial Mechanisms of Pristine Zinc-Based Layered Double Hydroxides. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0155⟩. ⟨tel-04073021⟩
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