WO1997012990A1 - Device for detecting and controlling biofilms - Google Patents

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WO1997012990A1
WO1997012990A1 PCT/FR1996/001515 FR9601515W WO9712990A1 WO 1997012990 A1 WO1997012990 A1 WO 1997012990A1 FR 9601515 W FR9601515 W FR 9601515W WO 9712990 A1 WO9712990 A1 WO 9712990A1
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micro
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PCT/FR1996/001515
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Jean-François LIPSKIER
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Thomson-Csf
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N17/008Monitoring fouling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/04Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor

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Abstract

A device for detecting and controlling a biofilm being formed on a surface exposed to a moist environment. The device includes at least two microsensors (Co, C1) of which one has a biofilm-neutral surface exposed to the moist environment while another has a biofilm formation-inhibiting surface exposed to the moist environment. The device further includes differential measurement means between the two microsensors. The inhibitory effect of the exposed surface may be provided by antibiotic agents that are active against microorganisms in the biofilm. The device may be used in a water supply system.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION ET DE CONTROLE DE BIOFILMS BIOFILMS DETECTION AND MONITORING DEVICE
Le domaine de l'invention est celui des micro-capteurs permettant la détection et le contrôle de biofilms susceptibles de se former sur tout type de surface en contact avec un milieu humide et notamment au niveau des canalisations dans lesquelles s'écoulent un milieu aqueux.The field of the invention is that of micro-sensors allowing the detection and control of biofilms capable of forming on any type of surface in contact with a wet medium and in particular at the level of the pipes in which an aqueous medium flows.
De manière générale, les biofilms sont des structures formées par des bactéries ou d'autres micro-organismes, qui se déposent sur les surfaces exposées à l'humidité et sécrètent des polyosides formant une matrice glycidique extrêmement résistante à l'abrasion. Cette matrice renforce l'adhérence des bactéries à la surface et les protège contre les agents chimiques, en particulier les désinfectants (Bryers, J.D., Colloids Surf. B:Biointerfaces, 1994, 2 (1-3), 9-23). De tels films se forment en particulier sur les parois des conduits des réseaux d'adduction d'eau potable, et sont souvent responsables d'une dégradation de la qualité de l'eau. Ainsi, l'apparition d'un goût désagréable peut résulter de la sécrétion de molécules organiques solubles telles que la géosmine ou l'isobornéol. Par ailleurs, on observe généralement une augmentation de la concentration de micro-organismes éventuellement pathogènes, ainsi que l'apparition d'une micro-flore et d'une micro-faune (protozoaires, petits crustacés, vers ...). Enfin, ces biofilms peuvent être responsables d'une corrosion accélérée des installations. Ce dernier problème se rencontre non seulement dans les réseaux de distribution d'eau potable, mais aussi dans des installations industrielles telles que les systèmes d'injection d'eau dans les puits de pétrole (Ferris, F.G. et al. Can. J. Microbiol, 1992, 38(2), 1320-1324) ou les échangeurs de chaleur. Dans ces derniers, la formation de biofilms réduit en outre l'efficacité des transferts thermiques, on accroît les pertes de charges, diminuant ainsi notablement le rendement des installations (Shelton, D.R. and Tiedje, J.M. Appl. Environ. Microbiol., 1984, 48, 840-848).In general, biofilms are structures formed by bacteria or other microorganisms, which deposit on surfaces exposed to moisture and secrete polysaccharides forming a glycidic matrix extremely resistant to abrasion. This matrix strengthens the adhesion of bacteria to the surface and protects them against chemical agents, in particular disinfectants (Bryers, J.D., Colloids Surf. B: Biointerfaces, 1994, 2 (1-3), 9-23). Such films are formed in particular on the walls of the conduits of drinking water supply networks, and are often responsible for a deterioration in the quality of the water. Thus, the appearance of an unpleasant taste can result from the secretion of soluble organic molecules such as geosmin or isoborneol. In addition, there is generally an increase in the concentration of potentially pathogenic microorganisms, as well as the appearance of a micro-flora and a micro-fauna (protozoa, small crustaceans, worms ...). Finally, these biofilms can be responsible for accelerated corrosion of the installations. This latter problem is encountered not only in drinking water distribution networks, but also in industrial installations such as water injection systems in oil wells (Ferris, FG et al. Can. J. Microbiol , 1992, 38 (2), 1320-1324) or heat exchangers. In the latter, the formation of biofilms also reduces the efficiency of heat transfers, pressure losses are increased, thus significantly reducing the efficiency of the installations (Shelton, DR and Tiedje, JM Appl. Environ. Microbiol., 1984, 48 , 840-848).
La formation de biofilms bactériens est également observée dans les systèmes de distribution d'eau désionisée utilisés dans de nombreux secteurs de l'industrie et de la recherche (Richardson Z., Proc. 5th Int. SAMPE Electronics Conf., June 18-20, 19921 , 552-558). De nombreux micro-organismes ont une structure suffisamment déformable pour pouvoir passer à travers les pores des filtres utilisés dans ces systèmes. Le problème est particulièrement aigu dans l'industrie électronique. Diverses espèces chimiques sécrétées par ces micro-organismes sont sources d'impuretés qui peuvent affecter dramatiquement les performances des semi-conducteurs (J.E. Martyak, J.C. Carmody, G.R. Husted, Microcontamination, 1993, 11 [1], 39-44).The formation of bacterial biofilms is also observed in deionized water distribution systems used in many sectors of industry and research (Richardson Z., Proc. 5th Int. SAMPE Electronics Conf., June 18-20, 19921, 552-558). Many microorganisms have a sufficiently deformable structure to be able to pass through the pores of the filters used in these systems. The problem is particularly acute in the electronics industry. Various chemical species secreted by these microorganisms are sources of impurities which can dramatically affect the performance of semiconductors (JE Martyak, JC Carmody, GR Husted, Microcontamination, 1993, 11 [1], 39-44).
Pour toutes ces raisons, on cherche actuellement à disposer de moyens permettant de détecter très rapidement la formation de biofilms et d'en mesurer l'évolution.For all these reasons, we are currently seeking to have means of very quickly detecting the formation of biofilms and of measuring their evolution.
Plusieurs solutions ont été à ce jour proposées : Une des méthodes utilisées pour évaluer l'importance de la contamination bactérienne et de la formation d'un biofilm consiste à prélever mécaniquement un échantillon, puis à cultiver les bactéries prélevées dans un milieu gélose. On effectue ensuite un dénombrement par les techniques usuelles de microbiologie. Cette méthode présente un certain nombre d'inconvénients.Several solutions have been proposed to date: One of the methods used to assess the extent of bacterial contamination and of the formation of a biofilm consists in mechanically taking a sample, then in cultivating the bacteria collected in an agar medium. A count is then carried out by the usual microbiology techniques. This method has a number of drawbacks.
En premier lieu, le prélèvement d'échantillons est difficile et peu reproductible, en raison de l'excellente adhérence du film bactérien sur la plupart des matériaux usuels ; de plus, un tel prélèvement n'est pas toujours réalisable en pratique, par exemple dans le cas d'installations enterrées ou d'accès difficile.Firstly, the taking of samples is difficult and not very reproducible, due to the excellent adhesion of the bacterial film on most common materials; moreover, such a removal is not always feasible in practice, for example in the case of buried installations or of difficult access.
En second lieu, les bactéries formant le biofilm se développent dans un milieu défavorable, pauvre en nutriments, et sont soumises à diverses agressions tels que chocs thermiques, osmotiques (concentration saline variable, dessiccation), ou chimiques (présence possible d'agents désinfectants). Par suite, elles développent un certain nombre de mécanismes de résistance. En particulier, leur métabolisme se ralentit, et le temps nécessaire au doublement de leur population s'accroît dans des proportions difficiles à évaluer. Enfin, ces micro-organismes perdent la capacité de se développer sur les milieux de culture synthétiques utilisés en laboratoire. Pour ces raisons, l'importance de la contamination est fréquemment sous-évaluée.Second, the bacteria forming the biofilm thrive in an unfavorable environment, poor in nutrients, and are subjected to various aggressions such as thermal shock, osmotic (variable saline concentration, desiccation), or chemical (possible presence of disinfecting agents) . As a result, they develop a number of resistance mechanisms. In particular, their metabolism slows down, and the time required to double their population increases in proportions that are difficult to assess. Finally, these microorganisms lose the ability to develop on synthetic culture media used in the laboratory. For these reasons, the importance of contamination is frequently underestimated.
La méthode est donc non seulement difficile d'emploi, mais également peu fiable.The method is therefore not only difficult to use, but also unreliable.
Récemment, il a été proposé d'utiliser une méthode de cytométrie en flux, fondée sur une mesure de fluorescence : un marqueur fluorescent est synthétisé par les bactéries à partir d'un précurseur. L'intensité de fluorescence mesurée peut être, dans certaines conditions, corrélée au nombre de cellules bactériennes contenues dans l'échantillon. Cette technique permet de s'affranchir de l'étape de culture sur milieu gélose synthétique, et donc de prendre en compte la fraction de micro-organismes non cultivables. Toutefois, elle requiert toujours le prélèvement d'échantillons représentatifs, qui n'est pas toujours aisé ni même possible. De plus, elle nécessite l'ajout d'un réactif (précurseur du marqueur fluorescent) en quantités relativement importantes, ce qui peut constituer en soi une contamination inacceptable.Recently, it has been proposed to use a flow cytometry method, based on a fluorescence measurement: a fluorescent marker is synthesized by bacteria from a precursor. The fluorescence intensity measured can, under certain conditions, be correlated with the number of bacterial cells contained in the sample. This technique makes it possible to dispense with the stage of culture on synthetic agar medium, and therefore to take into account the fraction of non-cultivable microorganisms. However, it still requires the taking of representative samples, which is not always easy or even possible. In addition, it requires the addition of a reagent (precursor of the fluorescent label) in relatively large amounts, which can in itself constitute unacceptable contamination.
Un capteur de biofilms miniaturisé, intégré sur silicium, a été décrit (Stenberg M., Stemme G., Kittilsland G. Pedersen K., Sens. Actuators, 1988, 13(3), 203-221 ). Ce capteur mesure en fait la quantité de chaleur transférée par un fluide en mouvement, depuis une source de chaleur (élément chauffant), vers une diode sensible à la température située en aval. Cette quantité de chaleur est affectée par la présence d'un biofilm à la surface du capteur, formant une barrière isolante s'opposant au transfert thermique. Quoique présentant un intérêt indéniable, ce capteur souffre des inconvénients suivants. En premier lieu, la mesure réalisée n'est pas spécifique de la formation d'un biofilm. Un dépôt d'une autre nature (tartre par exemple), se traduit également par une réponse du capteur. Par ailleurs, une variation des conditions physiques de la mesure (température du milieu, viscosité du fluide, débit, force ionique, ete ...) peut donner lieu à une dérive du détecteur. Enfin la technologie requise pour la fabrication du dispositif est coûteuse et encore peu répandue.A miniaturized biofilm sensor, integrated on silicon, has been described (Stenberg M., Stemme G., Kittilsland G. Pedersen K., Sens. Actuators, 1988, 13 (3), 203-221). This sensor actually measures the amount of heat transferred by a moving fluid from a heat source (heating element) to a temperature sensitive diode located downstream. This amount of heat is affected by the presence of a biofilm on the surface of the sensor, forming an insulating barrier opposing heat transfer. Although of undeniable interest, this sensor suffers from the following drawbacks. First, the measurement performed is not specific to the formation of a biofilm. A deposit of another nature (tartar for example), also results in a response from the sensor. Furthermore, a variation in the physical conditions of the measurement (medium temperature, viscosity of the fluid, flow rate, ionic strength, summer, etc.) can give rise to a drift in the detector. Finally, the technology required for manufacturing the device is expensive and still not widely used.
Dans ce contexte, l'invention a pour objet un dispositif de détection et de contrôle de biofilm se formant sur une surface S en contact avec un milieu humide, basé sur une mesure différentielle entre plusieurs micro-capteurs dont l'un au moins possède ta propriété d'être neutre vis-à- vis du biofilm, ce dernier pouvant ainsi se former sur ledit micro-capteur, un autre micro-capteur possédant une surface de contact avec le milieu humide inhibant la formation de biofilm. Ce dernier micro:capteur constitue une référence à laquelle peut être comparée le signal fourni par le premier micro-capteur. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de détection et de contrôle de biofilm se formant sur une surface S en contact avec un milieu humide, caractérisé en ce qu'il comprend :In this context, the subject of the invention is a device for detecting and controlling biofilm forming on a surface S in contact with a wet medium, based on a differential measurement between several micro-sensors, at least one of which has ta property of being neutral with respect to the biofilm, the latter thus being able to form on said microsensor, another microsensor having a contact surface with the wet medium inhibiting the formation of biofilm. This last micro : sensor constitutes a reference to which the signal supplied by the first micro-sensor can be compared. More specifically, the subject of the invention is a device for detecting and controlling biofilm forming on a surface S in contact with a wet environment, characterized in that it comprises:
- au moins deux micro-capteurs C0 et C-| déposés sur la surface S, le micro-capteur C0 possédant une surface de contact avec le milieu humide, neutre vis-à-vis de la formation de biofilm, le micro-capteur C-| possédant une surface de contact avec le milieu humide, munie d'un revêtement R-| inhibant la formation de biofilm ;- at least two micro-sensors C 0 and C- | deposited on the surface S, the micro-sensor C 0 having a contact surface with the humid medium, neutral with respect to the formation of biofilm, the micro-sensor C- | having a contact surface with the wet environment, provided with a coating R- | inhibiting biofilm formation;
- des moyens de mesure différentielle des différents micro- capteurs.- differential measurement means of the various micro-sensors.
Avantageusement, le micro-capteur C0 peut posséder une surface de contact avec le milieu aqueux munie d'un revêtement de nature identique à celle de la surface S.Advantageously, the microsensor C 0 can have a contact surface with the aqueous medium provided with a coating of the same nature as that of the surface S.
Avantageusement, les micro-capteurs utilisés dans le dispositif de l'invention peuvent être des capteurs sensibles à la masse de matière déposée à leur surface ; il peut typiquement s'agir de micro-capteurs à ondes acoustiques. Dans cette variante de l'invention, la masse liée à la surface du micro-capteur C0 s'accroît au fur et à mesure qu'un biofilm se forme. Le micro-capteur C-| ne mesure pas d'accroissement de masse résultant de la formation d'un biofilm. En revanche tout phénomène physique ou chimique (en particulier les effets liés aux variations de température ou de densité de liquide) n'ayant pas de lien causal avec la formation ou la croissance d'un biofilm, influe sur la réponse des deux micro-capteurs C0 et C-| de ia même façon. En comparant les signaux issus des deux micro- capteurs, il est ainsi possible de s'affranchir des perturbations précitées ; la réponse obtenue est en effet corrélée de façon univoque à la formation et à la croissance du biofilm.Advantageously, the micro-sensors used in the device of the invention can be sensors sensitive to the mass of material deposited on their surface; it can typically be acoustic wave micro-sensors. In this variant of the invention, the mass linked to the surface of the micro-sensor C 0 increases as a biofilm is formed. The micro-sensor C- | does not measure an increase in mass resulting from the formation of a biofilm. On the other hand, any physical or chemical phenomenon (in particular the effects linked to variations in temperature or density of liquid) having no causal link with the formation or growth of a biofilm, influences the response of the two micro-sensors C 0 and C- | in the same way. By comparing the signals from the two micro-sensors, it is thus possible to overcome the above-mentioned disturbances; the response obtained is indeed unequivocally correlated to the formation and growth of the biofilm.
Avantageusement, le revêtement R-\ peut comprendre un agent antibiotique inhibant la formation de biofilm pouvant être enfermé dans un matériau hôte, adapté pour combattre un type précis de micro-organismes. Avantageusement, le revêtement R0 peut être constitué d'un matériau polymère hydrophobe et le revêtement Ri peut comprendre un réseau interpénétré de macromolécules Mh dans une matrice de matériau polymère identique à celui du revêtement R0. Afin d'élargir le champ de prospection du dispositif de détection et de contrôle de biofilm évoqué ci-dessus, l'invention a également pour objet un dispositif associant une pluralité de micro-capteurs C-j , ... Cj, ... Cn, munis de revêtements R-j , ... Rj, ... Rn dans lesquels sont incorporés des agents antibiotiques différents, de façon à déterminer la nature des espèces contaminantes, responsables de la formation de biofilm.Advantageously, the coating R 1 can comprise an antibiotic agent inhibiting the formation of biofilm which can be enclosed in a host material, suitable for combating a specific type of microorganism. Advantageously, the coating R 0 can consist of a hydrophobic polymeric material and the coating Ri can comprise an interpenetrating network of macromolecules Mh in a matrix of polymer material identical to that of the coating R 0 . In order to widen the field of prospecting of the biofilm detection and control device mentioned above, the invention also relates to a device associating a plurality of micro-sensors Cj, ... Cj, ... C n , provided with coatings Rj, ... Rj, ... R n in which different antibiotic agents are incorporated, so as to determine the nature of the contaminating species responsible for the formation of biofilm.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un exemple de dispositif selon l'invention utilisant deux micro-capteurs à ondes acoustiques de volume ;The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows, given without limitation and thanks to the appended figures, among which: - Figure 1 illustrates an example of a device according to the invention using two volume acoustic wave micro-sensors;
- la figure 2 illustre un exemple de dispositif selon l'invention, utilisant deux micro-capteurs à ondes acoustiques de surface ;- Figure 2 illustrates an example of a device according to the invention, using two surface acoustic wave micro-sensors;
- la figure 3 illustre un exemple de micro-capteur à ondes acoustiques de love, utilisé dans un exemple de dispositif selon l'invention ;- Figure 3 illustrates an example of love acoustic wave micro-sensor, used in an example of a device according to the invention;
- la figure 4 illustre des formules chimiques d'agents introduit dans un exemple de revêtement R-| et inhibant la formation de biofilm ;- Figure 4 illustrates chemical formulas of agents introduced into an example of coating R- | and inhibiting biofilm formation;
- la figure 5 donne des exemples d'agents de surface utilisés dans des dispositifs selon l'invention. Nous allons décrire l'invention dans le cadre de micro-capteurs à ondes acoustiques, qui présentent le double intérêt d'être particulièrement sensibles et de conception simple et adaptée aux applications visées (détection de biofilms dans des canalisations, ...). Néanmoins d'autres types de micro-capteurs peuvent être employés et notamment des micro-capteurs tels que ceux décrits par Stenbeerg et al (évoqués dans l'art antérieur cité précédemment).- Figure 5 gives examples of surfactants used in devices according to the invention. We will describe the invention in the context of acoustic wave microsensors, which have the dual advantage of being particularly sensitive and of simple design and suitable for the targeted applications (detection of biofilms in pipes, etc.). However, other types of micro-sensors can be used and in particular micro-sensors such as those described by Stenbeerg et al (mentioned in the prior art cited above).
De façon générale, on distingue deux types de capteurs à ondes acoustiques : les capteurs à ondes acoustiques de volume et les capteurs à ondes acoustiques de surface. Les premiers sont souvent désignés par le signe BAW de l'anglais "Bulk Acoustic Waves". Les seconds sont souvent désignés par le sigle SAW ("Surface Acoustic Waves").Generally speaking, there are two types of acoustic wave sensors: volume acoustic wave sensors and surface acoustic wave sensors. The former are often designated by the BAW sign from the English "Bulk Acoustic Waves". The latter are often designated by the acronym SAW ("Surface Acoustic Waves").
Les capteurs BAW sont généralement réalisés à partir d'une plaquette de matériau piézoélectrique tel que le quartz monocristallin, découpée selon certaines orientations correspondant à un fort couplage piézo-électrique associé à une faible sensibilité aux variations de température. Des paires d'électrodes métalliques déposées de façon symétrique de part et d'autre de la plaquette permettent d'exciter et de détecter des ondes acoustiques se propageant dans la masse du matériau. Selon le dispositif de l'invention, deux capteurs semblables C0 et C-| sont associés. L'un, C-j , est muni sur l'une de ses électrodes Ei i , d'un film de matériau R-j , inhibant la formation de biofilms. L'autre, C0, peut être laissé à nu, ou bien peut être avantageusement muni d'un film de matériau R0 sur l'une de ses électrodes E0-| , le matériau R0 étant identique au matériau constituant les installations à surveiller, ou tout au moins de composition et de structures chimiques très voisines.BAW sensors are generally made from a plate of piezoelectric material such as monocrystalline quartz, cut along certain orientations corresponding to a strong piezoelectric coupling associated with a low sensitivity to variations in temperature. Pairs of metal electrodes symmetrically deposited on either side of the plate make it possible to excite and detect acoustic waves propagating in the mass of the material. According to the device of the invention, two similar sensors C 0 and C- | are associated. One, Cj, is provided on one of its electrodes Ei i, with a film of material Rj, inhibiting the formation of biofilms. The other, C 0 , can be left bare, or can advantageously be provided with a film of material R 0 on one of its electrodes E 0 - | , the material R 0 being identical to the material constituting the installations to be monitored, or at least of composition and very similar chemical structures.
A titre d'exemple, pour surveiller des canalisations en PVC, on pourra avoir avantage à déposer sur le capteur C0, un film de PVC de même nature. Par ailleurs, afin de minimiser les différences de fabrication et d'environnement entre Ci et C0, on pourra avoir avantage à réaliser les deux capteurs côte à côte sur un même substrat de quartz sq, comme l'illustre la figure 1 , les contre-électrodes E02 et E12 des deux capteurs C0 et C-| étant de l'autre côté dudit substrat sq.For example, to monitor PVC pipes, it may be advantageous to deposit on the sensor C 0 , a PVC film of the same kind. Furthermore, in order to minimize the manufacturing and environmental differences between Ci and C 0 , it may be advantageous to produce the two sensors side by side on the same quartz quartz substrate, as illustrated in FIG. 1, the cons -electrodes E 0 2 and E12 of the two sensors C 0 and C- | being on the other side of said substrate sq.
Dans une autre variante de l'invention, le dispositif de l'invention comprend des micro-capteurs à ondes de surface. Ces capteurs comprennent deux séries d'électrodes interdigitees, déposées à la surface d'un matériau piézoélectrique. La figure 2 illustre un exemple de dispositif dans lequel les deux capteurs sont montés en parallèle, le capteur C-| comprend deux séries d'électrodes SE11 et SE12 séparées d'une distance d, à la surface d'un matériau piézoélectrique, entre ces deux séries d'électrodes, le revêtement R-| est également déposé à la surface du matériau piézoélectrique. Le capteur C0 comprend aussi deux séries d'électrodes interdigitees SE0-| et SE02, séparées de la même distance d que dans le capteur C-j . Un revêtement R0 peut avantageusement être déposé entre les deux séries d'électrodes SE0ι et SE02- L'ensemble des capteurs C0 et C-j peut être réalisé sur un même substrat piézoélectrique, type quartz, sq.In another variant of the invention, the device of the invention comprises surface wave micro-sensors. These sensors include two series of interdigitated electrodes, deposited on the surface of a piezoelectric material. FIG. 2 illustrates an example of a device in which the two sensors are mounted in parallel, the sensor C- | comprises two sets of electrodes SE11 and SE12 separated by a distance d, on the surface of a piezoelectric material, between these two sets of electrodes, the coating R- | is also deposited on the surface of the piezoelectric material. The sensor C 0 also includes two series of interdigitated electrodes SE 0 - | and SE 0 2, separated by the same distance d as in the sensor Cj. A coating R 0 can advantageously be deposited between the two series of electrodes SE 0 ι and SE 0 2- All of the sensors C 0 and Cj can be produced on the same piezoelectric substrate, quartz type, sq.
Pour réaliser la fonction d'inhibiteur de formation de biofilm, deux types de matériaux peuvent être utilisés. Le premier type empêche l'adhésion des micro-organismes en modifiant l'énergie de surface du substrat ; le second inhibe la croissance de colonies bactériennes par l'effet d'agents antibiotiques incorporés, diffusant lentement vers la surface. a) Revêtements diminuant l'adhérence des cellules :To perform the function of biofilm formation inhibitor, two types of materials can be used. The first type prevents the adhesion of microorganisms by modifying the surface energy of the substrate; the second inhibits the growth of bacterial colonies by the effect of incorporated antibiotic agents, diffusing slowly towards the surface. a) Coatings reducing cell adhesion:
Dans cette approche qui s'applique particulièrement bien à des matériaux polymères, on cherche à diminuer le caractère hydrophobe de la surface à protéger en incorporant au substrat sq des agents tensioactifs ou surfactants. Des exemples de surfactants efficaces sont : le poly-(oxyde d'éthylene), ainsi que les copolymères blocs de type A-B-A où A est le poly-In this approach, which applies particularly well to polymeric materials, it is sought to reduce the hydrophobic nature of the surface to be protected by incorporating surfactants or surfactants into the substrate sq. Examples of effective surfactants are: poly (ethylene oxide), as well as block copolymers of type A-B-A where A is the poly-
(oxyde d'éthylene) et B est le poly-(oxyde de propylène) connus de l'homme de l'art sous l'appellation "Pluronic" (marque déposée de BASF) ou "Synperonic" (marque déposée de ICI) ; des poly-ionènes tels que les poly- ammoniums quaternaires ou les poly-phosphonium. Ces surfactants peuvent être incorporés à la surface du substrat sq à protéger de différentes manières : - on peut ainsi simplement incuber le substrat sq dans une solution aqueuse contenant le surfactant ; cette technique s'applique particulièrement bien dans le cas des agents de type Pluronic déposés sur des surfaces hydrophobes, en particulier sur des polymères tels que le PVC, le polystyrène, le PMMA ... : les blocs de type B, hydrophobes, adhèrent alors fortement à la surface, alors que les blocs de type A, hydrophiles, se projettent vers la phase aqueuse, formant une interface stériquement stabilisée ;(ethylene oxide) and B is the poly (propylene oxide) known to those skilled in the art under the name "Pluronic" (registered trademark of BASF) or "Synperonic" (registered trademark of ICI); polyionenes such as quaternary polyammoniums or polyphosphonium. These surfactants can be incorporated into the surface of the substrate sq to be protected in different ways: - one can thus simply incubate the substrate sq in an aqueous solution containing the surfactant; this technique applies particularly well in the case of agents of the Pluronic type deposited on hydrophobic surfaces, in particular on polymers such as PVC, polystyrene, PMMA ...: the blocks of type B, hydrophobic, then adhere strongly at the surface, while the hydrophilic type A blocks project towards the aqueous phase, forming a sterically stabilized interface;
- une autre méthode, désignée par le sigle SPIN (Surface Physical Interpenetrating Networks), consiste à placer la surface du substrat sq à protéger en contact avec une solution de surfactant (par exemple du poly-(oxyde d'éthylene) dans un solvant commun ; on laisse diffuser le surfactant dans le substrat sq dont la surface est gonflée par le solvant, puis on effectue une trempe rapide dans un solvant du surfactant, non solvant du matériau ; le surfactant est ainsi incorporé à la surface du substrat, dans un état métastable ;- another method, designated by the acronym SPIN (Surface Physical Interpenetrating Networks), consists in placing the surface of the substrate sq to be protected in contact with a surfactant solution (for example poly (ethylene oxide) in a common solvent ; the surfactant is allowed to diffuse in the substrate sq whose surface is swollen by the solvent, then rapid quenching is carried out in a solvent of the surfactant, non-solvent for the material; the surfactant is thus incorporated into the surface of the substrate, in a state metastable;
- une troisième méthode consiste à utiliser des molécules intermédiaires capables de former des liaisons covalentes d'une part avec le substrat et d'autre part avec le surfactant. Cette approche s'applique non seulement à des substrats à base de matériaux polymères, mais aussi à des 97/12990 PC17FR96/01515- A third method consists in using intermediate molecules capable of forming covalent bonds on the one hand with the substrate and on the other hand with the surfactant. This approach applies not only to substrates based on polymer materials, but also to 97/12990 PC17FR96 / 01515
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surfaces métalliques, ou à des matériaux inorganiques, et en particulier au quartz.metallic surfaces, or inorganic materials, and in particular quartz.
Bien que les trois méthodes puissent être utilisées, on préférera la seconde ou la troisième, qui présentent l'avantage d'une meilleure stabilité à long terme. En effet, le surfactant adsorbé sur la surface sq dans la première méthode, peut être dissous dans la phase aqueuse à la longue. Exemple 1 de dispositif selon l'invention Un détecteur est réalisé selon l'invention en associant deux capteurs à ondes acoustiques de volume C0 et C-j , revêtus d'un film de poly- (chlorure de vinyle) (PVC) (Aldrich 34, 675-6, high molecular weight) réalisé par pulvérisation (spray coating) à partir d'une solution à 5 g.l"1 de PVC dans le tétrahydrofurane (THF), et recuit pendant 1 h à 60°C. Le capteur C-| est de plus incubé, selon une procédure adaptée de (Desai, N.P. et al., biomaterials, 1991 , 12(2), 144-153), dans une solution contenant : - du polyethylene glycol (PEG) 17'500 (Fluka, Mr - 15000-Although all three methods can be used, the second or third are preferred, which have the advantage of better long-term stability. Indeed, the surfactant adsorbed on the surface sq in the first method, can be dissolved in the aqueous phase in the long run. Example 1 of a device according to the invention A detector is produced according to the invention by combining two acoustic wave sensors of volume C 0 and Cj, coated with a film of poly (vinyl chloride) (PVC) (Aldrich 34, 675-6, high molecular weight) produced by spraying (spray coating) from a 5 gl "1 solution of PVC in tetrahydrofuran (THF), and annealing for 1 h at 60 ° C. The sensor C- | is further incubated, according to a procedure adapted from (Desai, NP et al., biomaterials, 1991, 12 (2), 144-153), in a solution containing: - 17,500 polyethylene glycol (PEG) (Fluka, Mr - 15000-
20000) : 80 g.H20000): 80 g.H
- du THF : 40 %- THF: 40%
- de l'eau désionisée : 60 % portée à 50°C, pendant 15 minutes, puis trempé dans un excès d'eau désionisée. A l'issue de ce traitement, des molécules de PEG sont incorporées de façon stable et durable à la surface du capteur C-| . Le caractère hydrophile de cette dernière, comparée à la surface du PVC non traité (telle que celle du capteur C0) peut être évalué par une mesure d'angle de contact d'une goutte d'eau sur le revêtement : l'angle est sensiblement plus faible sur C-| (25°) que sur C0 (48°). La méthode peut être adaptée pour des capteurs revêtus de matériaux polymères divers, de préférence de même nature que ceux utilisés dans les installations à surveiller : polyuréthanne, PET, PMMA, polystyrène, etc.. Le tableau ci- après résume les conditions opératoires pouvant être utilisées en fonction du matériau R-| constituant le revêtement du capteur C<| . Dans ce tableau, Σ 1 désigne le solvant à partir duquel ce matériau est déposé, ∑2 le solvant (ou mélange de solvant) d'immersion contenant le PEG (concentration 80 g.l"'' ), Σ3 le solvant de trempe, H2O désigne l'eau désionisée, THF le tétrahydrofurane, TFAA l'acide trifluoroacétique, AC l'acétone. - deionized water: 60% brought to 50 ° C, for 15 minutes, then soaked in an excess of deionized water. At the end of this treatment, PEG molecules are incorporated in a stable and lasting manner on the surface of the sensor C- | . The hydrophilicity of the latter, compared to the surface of the untreated PVC (such as that of the sensor C 0 ) can be evaluated by measuring the contact angle of a drop of water on the coating: the angle is significantly lower on C- | (25 °) than on C 0 (48 °). The method can be adapted for sensors coated with various polymer materials, preferably of the same type as those used in the installations to be monitored: polyurethane, PET, PMMA, polystyrene, etc. The table below summarizes the operating conditions which may be used depending on the material R- | constituting the coating of the sensor C <| . In this table, Σ 1 denotes the solvent from which this material is deposited, ∑2 the immersion solvent (or solvent mixture) containing the PEG (concentration 80 gl "''), Σ3 the quenching solvent, H2O denotes deionized water, THF tetrahydrofuran, TFAA trifluoroacetic acid, AC acetone.
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Les capteurs ainsi traités présentent une surface hydrophile inhibant la fixation des cellules susceptibles de former un biofilm. Exemple 2 de dispositif selon l'inventionThe sensors thus treated have a hydrophilic surface inhibiting the attachment of cells capable of forming a biofilm. Example 2 of a device according to the invention
Deux capteurs C0 et C-| utilisant les ondes acoustiques de Love, sont réalisés selon un procédé analogue à celui décrit dans (Gizeli, E. et al. Sens. Actuators B, 1992, 6, 131-137). Il s'agit de capteurs comprenant une couche intermédiaire entre le substrat piézoélectrique et le revêtement R0 et/ou R-| , dans laquelle la vitesse de propagation des ondes acoustiques est inférieure à celle des ondes acoustiques dans le matériau piézoélectrique. La figure 3 illustre ce type de capteur dans lequel des jeux d'électrodes interdigitees SEj-] et SEJ2 sont déposés à la surface du substrat piézoélectrique et recouverts de la couche intermédiaire, et concerne plus précisément le micro-capteur Ci .Two sensors C 0 and C- | using Love's acoustic waves, are produced according to a process analogous to that described in (Gizeli, E. et al. Sens. Actuators B, 1992, 6, 131-137). These are sensors comprising an intermediate layer between the piezoelectric substrate and the coating R 0 and / or R- | , in which the propagation speed of the acoustic waves is lower than that of the acoustic waves in the piezoelectric material. FIG. 3 illustrates this type of sensor in which sets of interdigitated electrodes SEj-] and SEJ2 are deposited on the surface of the piezoelectric substrate and covered with the intermediate layer, and more precisely relates to the micro-sensor Ci.
Ainsi dans ce type de dispositif selon l'invention, ces capteurs comprennent un substrat de quartz sur lequel est déposé une couche de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Le PMMA du capteur C-| est de plus fonctionnalisé afin d'obtenir une surface inhibant la formation de biofilm, selon un procédé décrit dans (Dunkirk, S. G. et al., J. Biomater, Appl. 6, 131 - 156, 1991 ), par réaction photochimique avec du poly(éthylène glycol) (PEG) ou avec un copolymère de vinylpyrrolidone et de N-(amino-3 propyl) méthacrylamide, substitués par un agent de surface photo activable tel que l'acide benzoyl-4 benzoïque décrit en figure 4. Dans cet exemple, la couche de PMMA fonctionnalisée constitue le revêtement R-| . La surface de C0 n'est pas modifiée. Exemple 3 de dispositif selon l'invention Dans cet exemple, les capteurs C0 et C-j présentent une surface constituée d'oxyde de silicium. La surface de C-j , soigneusement nettoyée, est incubée dans une solution constituée de (III) chlorure de N.N.N-triméthyl- 3 (triméthoxysilyl)-l propanaminium (Hϋls America Inc., T2925, figure 6) à 10% dans du méthanol pendant 6 heures, lavée au méthanol puis à l'eau désionisée. A l'issue de ce traitement, les groupements ammonium quaternaires, qui possèdent une action bactéricide et fongicide, se trouvent greffés chimiquement à la surface de C-| . D'autres agents de surface, tels que (IV) le bromure de (N,N,N- tributyl)-3 (triméthoxysilyl)-l propanaminium, (V) le chlorure de (N-diméthyl N-octadécyl)-3 (triméthoxysilyl)-l propanaminium, (VI) le chlorure de (N- méthyl N,N-didécyl)-3 (triméthoxysilyl)-l propanaminium, susceptibles d'inhiber la formation de biofilms, peuvent être greffés de façon similaire, leurs formules chimiques sont données en figure 5. b) Revêtements libérant progressivement un agent antibiotique : Dans cette approche, la surface du capteur C-| est revêtue d'un film constitué d'un matériau polymère dans lequel est dispersé un agent antibiotique A (bactéricide, fongicide, etc.). L'antibiotique A diffuse lentement vers la surface et est progressivement relargué dans la phase aqueuse environnante.Thus in this type of device according to the invention, these sensors comprise a quartz substrate on which a layer of poly (methyl methacrylate) (PMMA) is deposited. PMMA from sensor C- | is further functionalized in order to obtain a surface inhibiting the formation of biofilm, according to a process described in (Dunkirk, SG et al., J. Biomater, Appl. 6, 131 - 156, 1991), by photochemical reaction with poly (ethylene glycol) (PEG) or with a copolymer of vinylpyrrolidone and of N- (3-amino-propyl) methacrylamide, substituted by a photoactivatable surfactant such as the 4-benzoyl benzoic acid described in FIG. 4. In this example , the functionalized PMMA layer constitutes the coating R- | . The surface of C 0 is not modified. Example 3 of a device according to the invention In this example, the sensors C 0 and Cj have a surface made up of silicon oxide. The surface of Cj, carefully cleaned, is incubated in a solution consisting of (III) NNN-trimethyl-3 (trimethoxysilyl) -l propanaminium chloride (Hϋls America Inc., T2925, FIG. 6) at 10% in methanol for 6 hours, washed with methanol and then with deionized water. At the end of this treatment, the quaternary ammonium groups, which have a bactericidal and fungicidal action, are chemically grafted on the surface of C- | . Other surfactants, such as (IV) (N, N, N-tributyl) -3 (trimethoxysilyl) -l propanaminium bromide, (V) (N-dimethyl N-octadecyl) -3 chloride ( trimethoxysilyl) -l propanaminium, (VI) (N- methyl N, N-didecyl) -3 (trimethoxysilyl) -l propanaminium chloride, capable of inhibiting the formation of biofilms, can be grafted similarly, their chemical formulas are given in figure 5. b) Coatings progressively releasing an antibiotic agent: In this approach, the surface of the sensor C- | is coated with a film made of a polymeric material in which is dispersed an antibiotic agent A (bactericide, fungicide, etc.). Antibiotic A slowly diffuses to the surface and is gradually released into the surrounding aqueous phase.
Exemple 4 de dispositif selon l'invention Le revêtement du capteur C-| est réalisé selon un procédé inspiré de (Golomb, G. and Shpigelman, A., J. Biomed, Mater. Res., 1991 , 258), 937-952). Un film est déposé par pulvérisation (spray coating) à partir d'une solution de polyuréthane (env. 5 g. M ) et de propylparaben (1 à 2 g. H ) dans le THF. Après évaporation du solvant, le film est recuit à 60°C pendant 1 heure. c) Revêtements diminuant l'adhérence des cellules et libérant progressivement un agent antibiotique :Example 4 of a device according to the invention The coating of the sensor C- | is produced according to a process inspired by (Golomb, G. and Shpigelman, A., J. Biomed, Mater. Res., 1991, 258), 937-952). A film is deposited by spraying (spray coating) from a solution of polyurethane (approx. 5 g. M) and propylparaben (1 to 2 g. H) in THF. After evaporation of the solvent, the film is annealed at 60 ° C for 1 hour. c) Coatings reducing cell adhesion and gradually releasing an antibiotic agent:
Les deux approches précédentes peuvent être combinées pour réaliser le revêtement du capteur C-| , de façon à en augmenter l'efficacité. Exemple 5 de dispositif selon l'invention Le revêtement du capteur C-| est réalisé en combinant les approches décrites dans les exemples 1 et 4 : un film de polyuréthane est réalisé selon la méthode décrite dans l'exemple 4. Ce film est ensuite incubé dans une solution de PEG telle que décrite dans l'exemple 1 , contenant en outre du propylparaben à saturation. Le film est ensuite trempé rapidement dans l'eau, comme dans l'exemple 1. Le revêtement obtenu présente une surface hydrophile grâce aux chaînes de PEG incorporées au réseau de polyuréthane. De plus, il relargue progressivement du propylparaben, ayant une activité antibiotique à large spectre.The two previous approaches can be combined to achieve the coating of the sensor C- | , so as to increase its efficiency. Example 5 of a device according to the invention The coating of the sensor C- | is carried out by combining the approaches described in examples 1 and 4: a polyurethane film is produced according to the method described in Example 4. This film is then incubated in a PEG solution as described in Example 1, additionally containing saturated propylparaben. The film is then rapidly soaked in water, as in Example 1. The coating obtained has a hydrophilic surface thanks to the PEG chains incorporated in the polyurethane network. In addition, it gradually releases propylparaben, which has broad-spectrum antibiotic activity.
De manière générale, un avantage supplémentaire peut être obtenu en associant au capteur C0, non pas un mais n capteurs C-j , ... Cn, chacun de ces n capteurs étant muni d'un revêtement par exemple du type décrit en b), les n revêtements R-| , ... Rn étant obtenus en incorporant dans une même matrice polymère n agents antibiotiques ayant des spectres d'activité différents. En présence d'une espèce donnée de micro-organisme, la formation de biofilm est plus ou moins inhibée en fonction du revêtement. Le spectre de réponse des n+1 capteurs C0, C-| , ... Cn, fournit ainsi une indication de la nature de l'espèce contaminante, analogue à un antibiogramme classique. On peut ainsi plus facilement sélectionner la méthode de désinfection la mieux adaptée. In general, an additional advantage can be obtained by associating with the sensor C 0 , not one but n sensors Cj, ... C n , each of these n sensors being provided with a coating for example of the type described in b) , the n coatings R- | , ... R n being obtained by incorporating into the same polymer matrix n antibiotic agents having different activity spectra. In the presence of a given species of microorganism, the formation of biofilm is more or less inhibited depending on the coating. The response spectrum of the n + 1 sensors C 0 , C- | , ... C n , thus provides an indication of the nature of the contaminating species, analogous to a conventional antibiogram. This makes it easier to select the most suitable disinfection method.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm se formant sur une surface (S) en contact avec un milieu humide, caractérisé en ce qu'il comprend :1. Biofilm detection and control device forming on a surface (S) in contact with a wet environment, characterized in that it comprises:
- au moins deux micro-capteurs (C0) et (C-| ) déposés sur la surface (S), le micro-capteur (C0) possédant une surface de contact avec le milieu humide, neutre vis-à-vis de la formation de biofilm, le micro-capteur (C-) ) possédant une surface de contact avec le milieu humide, munie d'un revêtement (R<| ) inhibant la formation de biofilm ;- at least two micro-sensors (C 0 ) and (C- |) deposited on the surface (S), the micro-sensor (C 0 ) having a contact surface with the wet environment, neutral with respect to the formation of biofilm, the microsensor (C-) having a contact surface with the wet environment, provided with a coating (R <|) inhibiting the formation of biofilm;
- des moyens de mesure différentielle des différents micro¬ capteurs.- means for differential measurement of the various micro-sensors.
2. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le micro-capteur (C0) possède une surface de contact avec le milieu humide munie d'un revêtement (R0) de nature identique à celle de la surface (S).2. Biofilm detection and control device according to claim 1, characterized in that the micro-sensor (C 0 ) has a contact surface with the wet medium provided with a coating (R 0 ) of a nature identical to that of the surface (S).
3. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement (R-j ) comprend un matériau hôte renfermant un agent antibiotique, progressivement relargué dans le milieu humide, le revêtement (R0) comprenant le même matériau hôte sans agent antibiotique.3. Biofilm detection and control device according to claim 2, characterized in that the coating (Rj) comprises a host material containing an antibiotic agent, gradually released in the wet environment, the coating (R 0 ) comprising the same material host without antibiotic agent.
4. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement (R-j ) comprend du matériau de type polymère hydrophobe et identique à celui de la surface (S) et des agents tensioactifs ou surfactants diminuant le caractère hydrophobe dudit matériau.4. Biofilm detection and control device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the coating (Rj) comprises material of hydrophobic polymer type and identical to that of the surface (S) and surfactants or surfactants reducing the hydrophobic nature of said material.
5. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfactants sont des copolymères de poly-(oxyde d'éthylene) et poly-(oxyde de propylène). 5. Biofilm detection and control device according to claim 4, characterized in that the surfactants are copolymers of poly- (ethylene oxide) and poly- (propylene oxide).
6. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfactants sont des poly-ionènes de type ammonium quaternaire ou phosphonium.6. Biofilm detection and control device according to claim 4, characterized in that the surfactants are poly-ionenes of the quaternary ammonium or phosphonium type.
7. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement (R0) est constitué d'un matériau polymère hydrophobe et que le revêtement (R-j ) comprend un réseau interpénétré de macromolécules (Mh) dans une matrice de matériau polymère identique à celui du revêtement (R0).7. Biofilm detection and control device according to claim 2, characterized in that the coating (R 0 ) consists of a hydrophobic polymeric material and that the coating (Rj) comprises a interpenetrating network of macromolecules (Mh) in a matrix of polymer material identical to that of the coating (R 0 ).
8. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon la revendication 7, caractérisé en ce que les molécules (Mh) sont des molécules de poly-(éthylène glycol).8. Biofilm detection and control device according to claim 7, characterized in that the molecules (Mh) are poly- (ethylene glycol) molecules.
9. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les micro-capteurs sont à ondes acoustiques.9. Biofilm detection and control device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the micro-sensors are with acoustic waves.
10. Dispositif de détection et de contrôle de biofilm selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de micro-capteurs (Ci ), ... (Cj), ... (Cn) munis de revêtements différents (R-| ), ... (Rj), ... (Rn) dans lesquels sont incorporés des agents antibiotiques différents, actifs vis-à-vis de différents agents existant dans le biofilm. 10. Biofilm detection and control device according to one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a plurality of micro-sensors (Ci), ... (Cj), ... (C n ) provided with different coatings (R- |), ... (Rj), ... (R n ) in which are incorporated different antibiotic agents, active with respect to different agents existing in the biofilm.
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