Des protéines pour fabriquer des plastiques changeant de forme
Les matériaux plastiques sont durables et légers, et trouvent de nombreuses applications dans les secteurs de la santé, de l’automobile et de l’aéronautique, ainsi que dans l’emballage. Cependant, moins de 10 % du plastique produit est recyclé, ce qui contribue à la pollution de l’environnement. Il est donc nécessaire de trouver des plastiques biosourcés qui puissent être recyclés ou dégradés après avoir rempli leur fonction. Ces mesures réduiraient la dépendance à l’égard des combustibles fossiles et contribueraient à l’élaboration de matériaux ayant un cycle de vie durable.
Une stratégie innovante pour des bioplastiques à base de protéines
Pour y remédier, le projet 4D-Biogel, financé par l’UE, a entrepris la fabrication de matériaux plastiques à l’aide de polymères biosourcés et biodégradables. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA). «Des matériaux à base de protéines ont été développés pour émuler des fonctions biologiques et non biologiques, notamment des caractéristiques physiques telles que la résistance mécanique», explique Haritz Sardon, titulaire d’une bourse de recherche MSCA. L’innovation derrière la stratégie de 4D-Biogel est la capacité de dépliage des protéines que les chercheurs ont exploitée. En utilisant la chaleur et l’eau comme stimuli, ils ont pu transformer les matériaux obtenus en leur conférant plasticité et élasticité. Les modifications spatio-temporelles des matériaux qui en découlent leur confèrent une quatrième dimension: le temps.
L’albumine sérique comme nouveau composant bioplastique
Pour surmonter les limitations en matière de faculté de mise en œuvre et de performances mécaniques, les chercheurs ont fabriqué une résine à base d’albumine de sérum bovin (ASB). L’ASB est une protéine très abondante et bon marché qui pourrait être facilement imprimée pour générer des bioplastiques aux propriétés utiles. Ils ont réalisé des géométries 3D haute résolution de matériaux à base de protéines en utilisant un type d’impression 3D connu sous le nom stéréolithographie par balayage laser. Cette approche utilise la lumière pour réticuler chimiquement des résines protéiques. L’équipe a découvert que l’ASB conservait sa conformation native globulaire dans les constructions bioplastiques imprimées en 3D. Il est intéressant de noter que ces protéines contenaient une longueur stockée qui pouvait être dépliée lors de la stimulation. Ce comportement de transformation de la forme peut être inversé en chauffant les objets ou en les immergeant dans l’eau, ce qui leur permet de retrouver leur forme originale imprimée en 3D. Les chercheurs sont allés plus loin en combinant ces bioplastiques avec des nanoparticules d’or. Ces dernières ont la capacité de transformer la lumière proche infrarouge non invasive en chaleur et de modifier la forme des bioplastiques. «Cela devrait avoir un impact à long terme sur la mise en œuvre de ces matériaux dans le corps, car nous pouvons désormais générer cette transformation à l’aide d’une source de lumière non invasive et hautement pénétrante», souligne Haritz Sardon.
Vers une fabrication additive plus verte
L’impression 3D d’objets produits industriellement est connue sous le nom de fabrication additive et utilise la CAO pour déposer le matériau couche par couche en fonction du modèle 3D fourni. Malgré les grandes promesses de la fabrication additive, certains problèmes de durabilité doivent être abordés. L’utilisation de molécules biosourcées comme base des résines et des encres facilitera le recyclage et augmentera la durabilité de la fabrication additive. Les résultats de 4D-Biogel contribuent considérablement à la fabrication additive verte grâce à des résines biosourcées qui offrent des propriétés mécaniques comparables à celles des plastiques commerciaux. Il est important de noter que le comportement de transformation de la forme des bioplastiques à base de protéines sera utile pour la fabrication de dispositifs médicaux tels que les implants et les stents. La nature dynamique de ces structures peut également trouver des applications dans d’autres domaines, tels que la robotique et la bioélectronique.
Mots‑clés
4D-Biogel, protéines, bioplastiques, fabrication additive, ASB, impression 3D, transformation de forme, biodégradable, albumine de sérum bovin