Development of antimicrobial materials for high-touch surfaces

(French version below)

Our research group is carrying out work as part of a team project funded by the FRQ-NT and the NSERC Alliance. This work aims to characterize the antimicrobial activity (i.e. biocide) of A3S anodized aluminum developed by A3 Surfaces in Chicoutimi. The company has developed an aluminum anodization process, i.e. a surface treatment that stabilizes and protects aluminum surfaces, while creating nanopores on the surface. Each square centimeter of such a surface contains tens of billions of these nanopores and any piece of aluminum can be treated in this way. The size of the nanopores is about 50 nm in diameter by 50 µm in depth. On a human scale, imagine a hole in the ground that is the diameter of the tip of a pen, and that is about two stories (5 meters) deep.

During the anodizing and impregnation process, the nanopores are filled with an antimicrobial substance containing quaternary ammonia (QACs). These products are already approved and marketed for various industrial and residential applications, such as disinfection and household cleaning products, as well as disinfectant wipes for use at home.

Our recent work (Jann J, et al., Biomaterials Advances, 2023; Jann J, et al. RSC Advances, 2021) demonstrated that A3S anodized aluminum has antibacterial activity capable of killing pathogenic bacteria such as Staphylococcus aureus and Clostridioides difficile, both of which are responsible for nosocomial infections and many deaths each year worldwide. Aluminum treated by A3 Surfaces kills 99% of bacteria after only 5 seconds of contact, and this mortality reaches 99.9% after 5 minutes, and 99.99% after 15 minutes. In short, if 10,000 bacteria are deposited on such a surface, only one remains alive after 15 minutes of contact.

Our work has also demonstrated the virucidal activity of the anodized aluminum of A3 Surfaces. Indeed, A3 Surfaces aluminum impregnated antimicrobial products are also known to be virucidal, i.e. capable of inactivating viruses, particularly those enveloped with a lipid membrane such as influenza, which causes common flu, and the coronavirus such as SARS-CoV-2, responsible for the COVID-19 pandemic. To do this, we use models of enveloped viruses, including bacteriophages (a type of virus that infects bacteria) and other human coronaviruses (human coronaviruses OC43 and 229E).

Many pathogenic viruses and bacteria are transmitted largely through contaminated surfaces. We only have to think of door handles, stair railings, poles we hold on to in public transport (metro, bus), etc. All these surfaces that are frequently touched by hundreds, even thousands of people every day are a source of transmission and spread of viruses and bacteria. When we know that viruses such as SARS-CoV-2 (COVID-19) can remain infectious for several hours, sometimes even several days on certain surfaces, the decontamination of these surfaces is crucial, but not necessarily easy to apply in the event of an epidemic or pandemic.

A3 Surfaces’ “self-disinfecting” anodized aluminum could therefore significantly reduce the number of microorganisms present on various high-touch surfaces found in public places and hospitals, and thus reduce the spread of pathogens.

Our ongoing work aims to improve the structural, physico-chemical and antimicrobial properties of A3 Surfaces aluminum. Several components found in hospitals and public places could eventually be replaced by aluminum treated by A3 Surfaces, which will help fight against the transmission of seasonal viruses such as influenza, multi-resistant bacteria to antibiotics, and help prevent spread of pandemic viruses such as COVID-19. The long-term impact of this technology therefore extends beyond the COVID-19 pandemic, and could be applied globally.

The co-researchers on this project are Professors Gervais Soucy and Nathalie Faucheux, from the Faculty of Engineering at the University of Sherbrooke, as well as A3 Surfaces and Rio Tinto.

(Version française – voir figures ci-dessus)

Notre groupe de recherche effectue des travaux dans le cadre d’un projet d’équipe financé par le FRQ-NT et le CRSNG Alliance. Ces travaux visent à caractériser l’activité antimicrobienne (i.e. biocide) de l’aluminium anodisé A3S développé par la compagnie A3 Surfaces de Chicoutimi. Celle-ci a développé un procédé d’anodisation de l’aluminium, i.e. un traitement de surface qui stabilise et protège les surfaces d’aluminium, tout en créant des nanopores en surface, un peu comme les alvéoles d’une ruche d’abeilles. Chaque centimètre carré d’une telle surface contient des dizaines de milliards de ces nanopores et n’importe-quelle pièce d’aluminium peut être traitée de la sorte. La taille des nanopores est d’une dizaine de nanomètres de diamètre et d’environ 50 µm de profondeur. À l’échelle humaine, imaginez un trou dans le sol dont le diamètre serait équivalent à celui d’une pointe de stylo, et dont la profondeur équivaudrait à environ deux étages (5 mètres).

Au cours du procédé d’anodisation et d’imprégnation, les nanopores sont remplis d’une substance antimicrobienne contenant des ammoniums quaternaires. Il s’agit de produits déjà approuvés et commercialisés pour diverses applications industrielles et résidentielles, comme des produits de désinfection et d’entretien ménager en passant par les lingettes désinfectantes qu’on utilise à la maison.

Nos travaux réalisés récemment (Jann J, et al., Biomaterials Advances, 2023; Jann J, et al. RSC Advances, 2021) ont démontré que l’aluminium anodisé traité par A3 Surfaces possède une activité antibactérienne capable de tuer des bactéries pathogènes comme Staphylococcus aureus et Clostridioides difficile, qui sont toutes deux responsables d’infections nosocomiales et de nombreux décès chaque année dans le monde. L’aluminium traité par A3 Surfaces tue 99% des bactéries après seulement 5 secondes de contact, et cette mortalité est de 99,9% après 5 minutes, et de 99,99% après 15 minutes. En bref, si 10 000 bactéries sont déposées sur une telle surface, il n’en reste qu’une seule vivante après 15 minutes de contact.

Nos travaux ont aussi démontré l’activité virucide de l’aluminium anodisé d’A3 Surfaces. En effet, les produits antimicrobiens imprégnés dans l’aluminium d’A3 Surfaces sont aussi connus pour être virucides, i.e. capables d’inactiver des virus, en particulier ceux enveloppés d’une membrane lipidique comme l’influenza, qui cause la grippe, et le coronavirus comme le SARS-CoV-2, responsable de la pandémie de COVID-19. Pour ce faire, nous utilisons des modèles de virus enveloppés, incluant des bactériophages (un type de virus infectant des bactéries) et d’autres coronavirus humains (coronavirus humains OC43 et 229E)

La transmission de nombreux virus et bactéries pathogènes se fait en grande partie par l’entremise de surfaces contaminées. On n’a qu’à penser aux poignées de porte, aux rampes d’escalier, aux poteaux auxquels on se tient dans les transports en commun (métro, bus), etc. Toutes ces surfaces qui sont fréquemment touchées par des centaines, voire des milliers d’individus chaque jour sont une source de transmission et de propagation des virus et bactéries. Quand on sait que des virus comme le SARS-CoV-2 (COVID-19) peuvent demeurer infectieux pendant plusieurs heures, parfois même plusieurs jours sur certaines surfaces, la décontamination de ces surfaces est cruciale, mais pas forcément facile à appliquer en cas d’épidémie ou de pandémie.

L’aluminium anodisé « auto-désinfectant » d’A3 Surfaces pourrait donc permettre de réduire de façon significative la quantité de microorganismes présents sur différentes surfaces fréquemment touchées que l’on retrouve dans les lieux publics et les hôpitaux, et ainsi réduire la propagation d’agents pathogènes.

Nos travaux en cours visent à améliorer les propriétés structurales, physico-chimiques et antimicrobiennes de l’Aluminium d’A3 Surfaces. Plusieurs composantes retrouvées dans les hôpitaux et lieux publics pourront éventuellement être remplacées par de l’aluminium traité par A3 Surfaces, ce qui permettra de lutter contre la transmission de virus saisonniers comme l’influenza, de bactéries multirésistantes aux antibiotiques, et aidera à prévenir la propagation de virus pandémique comme celui de la COVID-19. L’impact à long terme de cette technologie s’étend donc au-delà de la pandémie de COVID-19, et pourrait être appliquée à l’échelle mondiale.

Les cochercheurs sur ce projet sont les Prs Gervais Soucy  et Nathalie Faucheux, de la faculté de génie de l’Université de Sherbrooke.