Interactions between cells and surfaces during the surface attachment process, collectively referred to as cell-surface interactions, is an active field of research with implications in medical technologies, environmental sciences, and industrial engineering. Specifically, cell-surface interactions between bacteria and nanotopographies with high aspect ratio protrusions, or nanopillars, have the potential to exhibit antibacterial capabilities by mechanical means, though these antibacterial interactions are poorly understood. In this thesis, a mechanism was first proposed to explain the rapid mechano-bactericidal effect observed on model nanopillars synthesized from zinc oxide:​ External normal forces, such as that from the surface tension of an air-liquid interface or from an applied downward force, play a crucial role in acute mechano-bactericidal effects of the nanopillars. Conversely, the absence of normal forces yielded negligible acute antibacterial effects. Next, aspects of the bacterial attachment cycle on zinc oxide nanopillars were investigated, including initial attachment to the nanopillars, possible proliferation on the nanopillars, and detachment of inactivated bacteria from the nanopillars. Based on a microfluidic study of initial attachment, bacterial attachment was found to be dependent on nanopillar geometry and topography. Regardless of species, bacteria attached poorly on a high density of smaller nanopillars, thus this geometry can potentially offer anti-biofouling functions. To observe acute inactivation and possible long-term recovery of bacteria on the nanopillars, luminescence of a recombinant bacterial strain expressing bioluminescence was monitored in real time. Both acute and long-term mechano-bactericidal effects were more pronounced on a low surface density of wider nanopillars, whereas a high density of smaller nanopillars had minimal bactericidal effects. Finally, spontaneous detachment of live or inactivated bacteria from stainless steel coated with zinc oxide nanopillars was possible, but results varied greatly. A proposed electrochemical process to remove biofouled nanopillars proved highly effective in restoring the nanopillar topography against some types of biofouling. Overall, the studies in this thesis contribute toward the future application of mechano-bactericidal nanopillar as antibacterial surface coatings

Les interactions à travers les processus d'attachement des cellules, collectivement appelées interactions avec la surface des cellules, constituent un domaine de recherche actif ayant des implications dans l’industrie médicales et environnementales et genie. Plus précisément, les interactions entre les bactéries et les nanotopographies ornées de protubérances à haut rapport d'aspect, ou nanopillars, ont le potentiel de présenter des effets antibactériens par des moyens physiques, bien que ces interactions antibactériennes soient mal comprises. Dans cette thèse, un mécanisme est proposé pour expliquer l'effet mécanobactéricide rapide observé sur des nanopilliers modèles synthétisés à partir d'oxyde de zinc :​ Les forces normales externes, telles que celles provenant de la tension de surface d'une interface air-liquide ou d'une force appliquée vers le bas, jouent un rôle crucial dans les effets mécano-bactéricides aigus des nanopillars. À l'inverse, l'absence de forces normales a produit des effets antibactériens négligeables. Ensuite, les aspects du cycle de fixation des bactéries sur les nanopiliers d'oxyde de zinc ont été étudiés, incluant la fixation initiale aux nanopiliers, la prolifération possible sur les nanopiliers et le détachement des bactéries des nanopiliers. Une étude microfluidique de l'attachement initial a montré que l'attachement des bactéries dépendait de la géométrie des nanopiliers. Indépendamment de l'espèce, les bactéries se fixent mal sur une densité élevée de nanopilliers plus petits, cette géométrie offre donc potentiellement des capacités anti-biofouling. Pour observer l'inactivation et l'éventuelle récupération à courte et long terme des bactéries sur les nanopiliers, la luminescence d'une souche bactérienne recombinante exprimant la bioluminescence a été suivie en temps réel. Les effets mécanobactéricides courte et à long terme étaient plus prononcés sur une faible densité de surface de nanopilliers plus larges, tandis qu'une forte densité de nanopilliers plus petits offrait des effets antibactériens minimes. Enfin, le détachement spontané de bactéries vivantes ou inactivées de l'acier inoxydable revêtu de nanopilliers d'oxyde de zinc était possible, mais les résultats étaient très variables. Un processus électrochimique proposé pour éliminer les nanopillars biofoulés ce montre très efficace pour restaurer la topographie des nanopillars contre certains types de biofouling. Dans l'ensemble, les études de cette thèse contribuent à l'application future de nanopilliers mécanobactéricides comme revêtements de surface antibactériens