Inspirés par la cellule : des chercheurs de Bayreuth mettent au point des fibres synthétiques capables de s'autoprotéger
Des chimistes de Bayreuth utilisent un complexe contenant du zinc qui s'agrège de manière réversible en structures de l'ordre du micromètre à des températures supérieures à 32 °C
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Des chercheurs de l'université de Bayreuth, en collaboration avec des collègues de l'université libre de Berlin et de l'Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde, ont mis au point un système de fibres synthétiques inspiré du cytosquelette cellulaire, qui assure sa propre protection grâce à un regroupement contrôlé. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la mise au point de matériaux intelligents et commutables, dont les propriétés peuvent être modifiées de manière ciblée en réponse à un stimulus spécifique.
\--- Pourquoi est-ce important ?
Les cellules vivantes accomplissent un exploit remarquable : elles maintiennent des structures délicates telles que le cytosquelette, qui ne sont maintenues ensemble que par de faibles interactions intermoléculaires, même dans des conditions défavorables. Elles y parviennent grâce à une organisation hiérarchique et à un regroupement ciblé. Les molécules de protéines individuelles constituent les plus petits éléments constitutifs, qui s’assemblent en filaments. Plusieurs filaments sont ensuite regroupés et reliés par des protéines de réticulation, créant ainsi des structures plus stables. Reproduire ce principe dans des polymères synthétiques pourrait déboucher sur de nouveaux matériaux économes en ressources pour des applications telles que l’impression 3D, la détection et l’optoélectronique, ainsi que la biotechnologie. \---
Pour la première fois, une équipe de recherche dirigée par le professeur Alex Plajer à l’université de Bayreuth a recréé un système de fibres présentant un ordre hiérarchique et un regroupement contrôlé dans un système aqueux entièrement synthétique. Le point de départ est une molécule plane contenant du zinc, liée à un polymère thermosensible. En solution aqueuse diluée, ces éléments constitutifs s’assemblent spontanément en nanofibres. Fait remarquable, les molécules d’eau elles-mêmes sont intégrées en tant que composants structurels des nanofibres, au lieu de se contenter de jouer le rôle de solvant.
Lorsque la température dépasse 32 °C, les nanofibres initialement indépendantes s’agrègent pour former des structures de l’ordre du micromètre. Ce même processus d’agrégation peut également être déclenché par des variations de la concentration en sel ou de la composition du solvant. L’inversion du stimulus correspondant, par exemple en abaissant la température ou en ajustant la concentration en sel ou la composition du solvant, provoque la dissociation des agrégats. Le processus est donc entièrement réversible.
Élément crucial, cette organisation d’ordre supérieur protège les éléments constitutifs, par ailleurs fragiles, tout comme dans le cytosquelette. Alors que les nanofibres individuelles se désagrègent rapidement sous l’effet d’une dilution, de conditions acides ou d’une attaque chimique, les fibres regroupées restent stables. « Nous avons même pu démontrer une protection sélective des fibres. Dans un mélange contenant des fibres regroupées en faisceaux et des fibres non protégées, seules les fibres formant des faisceaux survivent, tandis que les autres se désagrègent. Ce comportement s’apparente à la compartimentation sélective observée dans les cellules, où des régions ou des organites distincts se forment au sein de l’environnement cellulaire », explique Merlin Stühler, premier auteur de l’étude et doctorant au sein du groupe d’Alex Plajer.
Ce principe est apparu particulièrement clairement lors d’une expérience inhabituelle. Sous l’effet d’un rayonnement UV, le complexe de zinc s’échauffe par effet photothermique et maintient les fibres dans leur état protégé et agrégé tant que la source lumineuse leur fournit de l’énergie. Dès que le rayonnement cesse, les agrégats se dissocient et les éléments constitutifs se désagrègent en milieu acide. « Nous avons ainsi créé une analogie avec les mécanismes utilisés par les bactéries résistantes à l’acide, qui dépensent activement de l’énergie pour maintenir leur équilibre interne dans des conditions hostiles », explique Merlin Stühler. « Notre système ne survit littéralement que tant qu’il est alimenté en énergie. Il existe donc dans un état loin de l’équilibre thermodynamique, une caractéristique déterminante des systèmes biologiques. »
Ce regroupement hiérarchique renforce non seulement la stabilité des fibres, mais est également observable à l’œil nu. Lorsqu’elles sont chauffées, les fibres forment un hydrogel à des concentrations environ 200 fois inférieures à celles requises dans des systèmes polymères comparables. Le refroidissement inverse le processus, ramenant le gel à l’état liquide. La gélification peut être déclenchée par irradiation lumineuse, tandis que la température de gélification peut être contrôlée simultanément par la concentration en sel ou la composition du solvant. Même à l’état d’hydrogel, les éléments constitutifs restent protégés contre les attaques acides et chimiques.
« Au-delà de la découverte fondamentale selon laquelle les principes d’organisation biologiques peuvent être transposés à des systèmes synthétiques, nous voyons un potentiel d’application évident pour notre matériau. Sa gélification réversible, réagissant de manière répétée à un stimulus à des concentrations de matière relativement faibles, rend le système intéressant pour l’impression 3D, où il pourrait servir de résine d’impression recyclable et « commutable », conclut le professeur Plajer. Ces travaux offrent également une nouvelle stratégie de conception pour la détection et l’optoélectronique, grâce aux propriétés photophysiques sensibles à la lumière du composant contenant du zinc, ainsi que pour le développement de matériaux plus robustes et plus intelligents en nanotechnologie et en biotechnologie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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