La déformation mécanique des dispositifs médicaux en élastomère peut permettre la colonisation microbienne de la surface

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7691 (2023) Citer cet article

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Les élastomères tels que le silicone sont courants dans les dispositifs médicaux (cathéters, implants prothétiques, endoscopes), mais ils restent sujets à la colonisation microbienne et aux infections par biofilm. Pour la première fois, nos travaux montrent que les taux de fixation microbienne de la surface du silicone polydiméthylsiloxane (PDMS) peuvent être significativement affectés par la déformation mécanique. Pour une section de tube de cathéter commercial courbé, les bactéries (P. aeruginosa) montrent une forte préférence pour le côté « convexe » par rapport au côté « concave », d'un facteur de 4,2. Des tests plus approfondis en flexion des matériaux PDMS coulés n'ont montré une différence significative que pour les échantillons préalablement essuyés manuellement (endommagés) (1,75 × 104 et 6,02 × 103 cellules/mm2 sur les côtés convexes et concaves, respectivement). Nous démontrons que les microfissures de surface des élastomères s'ouvrent sous l'effet d'une contrainte de traction (flexion convexe) pour devenir « activées » en tant que sites de colonisation microbienne. Ce travail démontre que la limite élastique élevée des élastomères permet à ces microfissures de s'ouvrir et de se fermer de manière réversible, sous forme de « défauts dynamiques ». Les cathéters commerciaux présentent une rugosité de surface relativement élevée inhérente à la fabrication, mais nous montrons que même l’essuyage manuel du PDMS nouvellement coulé est suffisant pour générer des microfissures de surface. Nous étudions les implications pour les dispositifs médicaux présentant une déformation soutenue, chirurgicale ou cyclique, dans laquelle des conditions de traction localisées peuvent exposer ces défauts de surface à des microbes opportunistes. En conséquence, nos travaux mettent en évidence de sérieux problèmes potentiels liés à l’utilisation et au développement généralisés des élastomères dans les dispositifs médicaux.

Les élastomères tels que les silicones, les polyuréthanes et le polychlorure de vinyle (PVC) ont été utilisés pour la première fois dans les dispositifs médicaux dans les années 1950 et sont désormais largement utilisés. Les exemples incluent les cathéters urinaires en polydiméthylsiloxane (PDMS), les cathéters PICC en polyuréthane, les gaines d'endoscope et une large gamme de produits de chirurgie plastique reconstructive, tels que les prothèses mammaires ou faciales en silicone1,2. Récemment, les silicones ont constitué la base d'une nouvelle génération de cœurs artificiels et de valvules cardiaques prothétiques, car les silicones ont une faible thrombogénicité, une bonne stabilité chimique et une capacité de fabrication polyvalente3. Outre les dispositifs implantés, les élastomères sont courants dans les dispositifs médicaux extracorporels tels que les pompes et les tubes des systèmes de dialyse.

Malgré leur utilisation généralisée, la colonisation microbienne des dispositifs en élastomère et le développement ultérieur d'infections à base de biofilm restent un problème persistant, tant pour les dispositifs implantés que réutilisables. Les infections associées aux appareils sont responsables de 50 à 70 % des près de 2 millions d’infections nosocomiales (IAS) aux États-Unis4,5. Les IAS augmentent considérablement les risques sanitaires, la durée des séjours hospitaliers des patients et les coûts de traitement. La majorité des infections associées aux dispositifs sont le résultat d'une colonisation bactérienne sur les cathéters, y compris les infections du sang associées aux cathéters centraux (CLABSI), les infections des voies urinaires associées aux cathéters (CAUTI) et la pneumonie nosocomiale (PAV)6,7. Sur les plus de 5 millions de cathéters centraux insérés chaque année aux États-Unis, 3 à 5 % de ces patients souffraient de CLABSI, ce qui augmentait considérablement les coûts de traitement8. Une analyse comparative récente de patients nécessitant un cathétérisme intraveineux a montré que l'infection entraînait en moyenne 2 jours supplémentaires d'hospitalisation9.

Les infections associées aux appareils commencent par la colonisation initiale de la surface par des agents pathogènes microbiens et le développement ultérieur en un biofilm10,11,12. Les cellules d'un biofilm produisent des substances polymères extracellulaires qui les protègent des désinfectants, des antibiotiques et des mécanismes de défense de l'hôte. Par conséquent, les biofilms sont persistants et difficiles à éradiquer5,13,14,15,16,17,18,19. Diverses bactéries Gram-positives (Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, S. epidermidis), bactéries Gram-négatives (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) et champignons (Candida albicans) sont couramment isolées à partir de dispositifs médicaux explantés12. Ces agents pathogènes sont connus pour développer une multirésistance aux médicaments et, une fois qu’ils forment des biofilms, l’utilisation d’antibiotiques systémiques à large spectre est souvent inefficace. En cas d'infection, le retrait et le remplacement du dispositif sont souvent une nécessité, ce qui peut être une option très traumatisante et médicalement risquée avec une forte probabilité de réinfection12.