Des polymères mimant la peau des caméléons
Publié par Adrien le 31/03/2018 à 00:00
Source: CNRS
Les tissus biologiques ont des propriétés mécaniques complexes, difficiles à reproduire avec des matériaux de synthèse. Une équipe internationale a réussi à produire un matériau synthétique biocompatible qui se comporte comme les tissus biologiques et change de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) en se déformant, comme la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) des caméléons. Ces résultats, auxquels ont contribué des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Haute-Alsace (1) et de l'ESRF, le Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) européen, avec des collègues des universités américaines de Caroline du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et d'Akron, sont publiés le 30 mars 2018 dans la revue Science. Ils augurent de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) inédits pour des dispositifs biomédicaux.


Haut à gauche: structure moléculaire d'un plastomère synthétisé dans ce travail ; à droite: structure supramoléculaire formée par l'assemblage de plastomères identiques.
Bas à gauche: courbes contrainte-déformation pour des plastomères ("M300-2" et "M300-3") qui miment le comportement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...) des échantillons de peau de porc (Le porc (du latin porcus) qui se dit aussi cochon domestique (Sus scrofa domesticus) ou cochon des villes est un mammifère domestique omnivore de la...) ("porcine", en coupe transversale ou longitudinale) ; à droite: image montrant la coloration iridescente des plastomères. Les bords sont moins bleus parce qu'ils reçoivent la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) avec un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) différent.
© D.A. Ivanov et S.S. Sheiko

Pour produire un implant médical, il est nécessaire de choisir un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) aux propriétés mécaniques similaires à celles des tissus biologiques, au risque de provoquer inflammation (Une inflammation est une réaction de défense immunitaire stéréotypée du corps à une agression : infection, brûlure, allergie…) ou nécrose. Or nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de tissus dont la peau, la paroi intestinale ou le muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types majeurs de tissus, les autres étant le tissu épithélial, le tissu conjonctif, le tissu...) cardiaque ont la particularité d'être souples tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en durcissant quand on les étire. Jusqu'à présent, il était impossible de reproduire ce comportement avec des matériaux synthétiques.

Les chercheurs ont tenté de le faire avec un unique polymère (2). Pour cela, ils ont synthétisé un élastomère particulier composé d'un bloc central sur lequel sont greffées des chaînes latérales (comme un goupillon), et prolongé à chaque extrémité par deux blocs terminaux (voir figure). Les chercheurs ont trouvé qu'en choisissant bien les paramètres structuraux du polymère, le matériau suivait la même courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de déformation qu'un tissu biologique, en l'occurrence la peau de porc. Par ailleurs, il est biocompatible puisqu'il ne nécessite pas d'additifs et reste stable en présence de fluides biologiques comme à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines...) libre.

Une autre propriété du matériau est apparue lors des expériences: sa couleur change en fonction de son état de déformation. Comme l'ont montré les scientifiques, c'est un phénomène purement physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...), qui naît de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de la lumière avec la structure du matériau. Des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) »...) atomique et des expériences de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...) de rayons X ont montré que les blocs terminaux de ces polymères se rassemblent en sphères nanométriques, réparties dans une matrice formée par les structures en goupillon. La lumière interfère avec cette architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.), qui diffuse une couleur donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) selon la distance entre les sphères ; un étirement du matériau se traduit donc par un changement de couleur. C'est le même mécanisme qui explique - en grande partie - comment les caméléons changent de couleur.

Les chercheurs ont donc réussi à encoder dans un unique polymère synthétique à la fois des propriétés mécaniques (souplesse, profil de déformation) et des propriétés optiques, ce qui n'avait encore jamais été réalisé. En ajustant la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) des différentes chaînes ou la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) des chaînes latérales de la "brosse (Une brosse est un outil fait d'un assemblage de filaments plus ou moins souples fixés sur une monture. Elles peuvent avoir différents usages :)", il est possible de moduler ces propriétés. Cette découverte pourrait déboucher sur des implants médicaux ou prothèses plus personnalisés (implants vasculaires, implants intraoculaires, remplacement de disques intervertébraux), mais aussi sur des matériaux aux profils de déformation complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) inédits, aux applications encore insoupçonnées.

Vidéo: [url=http://www2.cnrs.fr/sites/communique/fichier/aar5308_supplementary_movie_mov2_seq2_v1.mp4][/url]
Lorsque le matériau est étiré, sa couleur change. Crédit: S.S. Sheiko

Notes:

(1) À l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/UHA) et au Laboratoire de physique et mécanique textiles (UHA).
(2) Les tissus biologiques, eux, sont composés de cellules et de molécules comme, dans le cas de la peau, le collagène (Le collagène est une glycoprotéine fibreuse dont le rôle peut être comparé à une armature. C’est la protéine la plus abondante de l’organisme. Il est secrété par les cellules des tissus...), rigide, et l'élastine, flexible.
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