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Une nouvelle compréhension de l’architecture complexe du ventre des homards a fourni aux ingénieurs du MIT un modèle pour un nouvel hydrogel résistant et extensible. Ce matériau imite la structure en spirale de l’armure des homards qui lui confère une grande durabilité et une résistance à la déchirure. Les chercheurs du MIT espèrent qu’il pourra être utilisé comme ligaments et tendons artificiels.

Un nouveau matériau

Ce nouveau matériau est le résultat de lignes de recherche parallèles, dont l’une est centrée sur le développement continu des hydrogels sous la direction du professeur de génie mécanique Xuanhe Zhao. Les chercheurs du groupe de Zhao ont travaillé sur des hydrogels résistants à la fatigue, fabriqués à partir d’eau et de polymères réticulés et constitués de fibres ultrafines alignées comme un brin de paille. Cela leur permet de supporter des étirements et des tensions répétés sans se déchirer.
Parallèlement, un autre groupe de scientifiques du MIT a récemment publié des recherches décrivant les propriétés mécaniques du ventre d’un homard. Des coupes transversales de cette membrane protectrice ont révélé des feuilles composées de chitine, un polymère naturel, empilées les unes sur les autres à des angles de 36 degrés, comme un escalier en spirale. C’est ce qu’on appelle une structure bouligène, et les chercheurs affirment qu’elle est la clé de l’extensibilité et de la résistance naturelles de leur membrane.
« Nous avons appris que cette structure bouligène dans le ventre du homard avait des performances mécaniques élevées, ce qui nous a incités à voir si nous pouvions reproduire de telles structures dans des matériaux synthétiques », explique Shaoting Lin, auteur de cette étude.
Les scientifiques ont collaboré pour recréer cette structure en utilisant des hydrogels résistants à la fatigue. Pour ce faire, ils ont utilisé l’électrofilage pour créer des fils ultrafins d’environ 800 nanomètres de diamètre, qui ont été regroupés pour former des films plats et soudés dans une chambre à haute humidité, puis cristallisés dans un incubateur.
Cinq de ces films ont ensuite été empilés les uns sur les autres, chacun à un angle de 36 degrés pour former la structure en spirale du bouligène. Cette pile a de nouveau été soudée et cristallisée pour renforcer ce matériau et former un hydrogel de la taille d’un petit morceau de scotch.

Les tests ont été concluants

Les tests d’étirement ont montré que cet hydrogel était tout aussi résistant aux déchirures et aux fissures que la membrane naturelle du ventre du homard. Les scientifiques ont également pratiqué quelques entailles dans le film pour voir comment les fissures pourraient se propager lors de l’étirement. L’architecture angulaire semble contenir les dommages et donner un matériau 50 fois plus résistant à la fatigue que les hydrogels nanofibreux classiques.
Les scientifiques ont également effectué des tests d’impact en utilisant de minuscules microparticules, tirées sur ce matériau à grande vitesse. Ces tests ont révélé une résistance élevée à l’impact, ou l’absorption d’énergie, de 40 kilojoules par kilogramme de matériau.
« Cela signifie qu’une bille d’acier de 5 millimètres lancée à 200 mètres par seconde serait arrêtée par 13 millimètres de ce matériau », explique David Veysset, un autre auteur de cette étude. « Ce n’est pas aussi résistant que le Kevlar, qui nécessiterait 1 millimètre, mais ce matériau bat le Kevlar dans de nombreuses autres catégories. »

Pour des ligaments et les tendons artificiels

L’extensibilité est une catégorie où cet hydrogel surpasse le Kevlar. Les scientifiques pensent que cette caractéristique, combinée à son excellente résistance, pourrait un jour permettre de l’utiliser comme tissu artificiel flexible et durable, comme les ligaments et les tendons. Pour cela, il faudrait que le processus de fabrication soit amélioré, mais l’équipe est enthousiaste quant aux possibilités.
« Pour qu’un matériau fait d’un hydrogel puisse servir de tissu artificiel porteur, il faut à la fois de la résistance et de la déformabilité », explique M. Lin. « La conception de notre matériau pourrait permettre d’obtenir ces deux propriétés ».
Cette recherche a été publiée dans Matter.
Source : MIT
Crédit photo : StockPhotoSecrets