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L’équipe de Harvard développe un matériau à mémoire de forme pour les tissus imprimés 3D intelligents – ImpressionEn3D.com

Des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de l’Université Harvard ont créé un nouveau matériau à partir de la kératine qui peut être imprimé en 3D sous des formes complexes et préprogrammé avec une mémoire de forme réversible. Avec des applications potentielles dans la bio-ingénierie et les textiles intelligents, le nouveau développement est idéal pour concevoir des dispositifs à mémoire de forme solides et rigides déclenchés par l’eau avec une résistance à la traction et des transformations géométriques complexes.

La nouvelle étude est la dernière des chercheurs de SEAS et propose une conception bioinspirée pour la fabrication d’un matériau à mémoire de forme biocompatible et structuré hiérarchiquement imprimé en 3D à partir de déchets de kératine. Publié dans le journal Matériaux de la nature, le rapport, Un matériau à mémoire de forme bioinspiré et structuré hiérarchiquement, confirme la capacité de l’objet imprimé en 3D à retrouver sa forme d’origine.

En outre, la capacité de traitement du nouveau matériau via des plates-formes de fabrication additive permet la production d’architectures complexes avec des caractéristiques structurelles de l’ordre du micromètre, ce qui rend le matériau adapté à une vaste gamme d’applications de bio-ingénierie.

«Avec ce projet, nous avons montré que non seulement nous pouvons recycler la laine, mais aussi que nous pouvons construire des choses à partir de laine recyclée qui n’ont jamais été imaginées auparavant», a déclaré Kevin Kit Parker, professeur de la famille Tarr en bio-ingénierie et physique appliquée à SEAS et auteur principal de l’article. «Les implications pour la durabilité des ressources naturelles sont claires. Avec la protéine de kératine recyclée, nous pouvons faire autant, voire plus, que ce qui a été fait par la tonte des animaux à ce jour et, ce faisant, réduire l’impact environnemental de l’industrie du textile et de la mode.

La kératine est un polymère bioactif polyvalent abondamment distribué dans la nature et s’est avéré très attractif pour de nombreuses applications avancées, allant de l’agriculture au génie biomédical. C’est le composant principal de l’épiderme que l’on trouve dans les cheveux, les ongles, les plumes, la laine, les sabots, les écailles et la corne des vertébrés supérieurs tels que les mammifères, les oiseaux et les reptiles. C’est également un constituant majeur des tissus épithéliaux humains.

La clé des capacités de changement de forme inhérentes à la kératine est sa structure hiérarchique, a déclaré Luca Cera, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article. Dans l’étude, une seule chaîne de kératine est disposée en une structure en forme de ressort connue sous le nom d’hélice alpha. Deux de ces chaînes se tordent ensemble pour former une structure connue sous le nom de bobine enroulée. Beaucoup de ces bobines enroulées sont assemblées en protofilaments et éventuellement en grosses fibres. De plus, Cera a suggéré que l’organisation de l’hélice alpha et les liaisons chimiques conjonctives confèrent au matériau à la fois résistance et mémoire de forme.

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Selon SEAS, lorsqu’une fibre est étirée ou exposée à un stimulus particulier, les structures en forme de ressort se déroulent et les liaisons se réalignent pour former des feuillets bêta stables. La fibre reste dans cette position jusqu’à ce qu’elle soit déclenchée pour reprendre sa forme d’origine. Pour démontrer ce processus, les chercheurs ont utilisé la kératine comme encre pour imprimer des feuilles en 3D dans une variété de formes, en programmant la forme permanente du matériau – la forme à laquelle il reviendra toujours lorsqu’il est déclenché – en utilisant une solution de peroxyde d’hydrogène et de phosphate monosodique. Une fois la mémoire établie, la feuille pouvait être reprogrammée et moulée dans de nouvelles formes.

Les objets imprimés en 3D ont des propriétés de mémoire de forme sensibles à l’humidité. Dans le cadre de l’étude et pour illustrer l’efficacité du mécanisme de mémoire de forme dans le fonctionnement de transformations géométriques plutôt sophistiquées, les chercheurs ont plié une feuille de kératine en une étoile origami complexe en tant que forme permanente. L’étude a suggéré que, une fois hydraté, le modèle d’origami imprimé en 3D était malléable et pouvait être déplié et remodelé arbitrairement en tube roulé. Une fois séchée, la feuille carrée a perdu sa malléabilité et a été verrouillée dans sa nouvelle forme temporaire. Afin d’inverser le processus, les chercheurs ont simplement replacé le tube dans l’eau pour retrouver la forme originale de l’origami.

Dans l’étude, les enquêteurs ont d’abord extrait la kératine des restes de laine Angora utilisée dans la fabrication textile. Ensuite, ils ont utilisé la plateforme BIO X de Cellink pour imprimer le matériel. Pour aider à visualiser la structure de l’objet lors de l’impression, les chercheurs ont ajouté de la Rhodamine B (un composé chimique et un colorant fluorescent) au dope de kératine en tant que traceur de couleur magenta. Après l’impression 3D, un modèle d’origami en forme d’étoile a été fabriqué en pliant manuellement la feuille carrée imprimée en 3D et en fixant en permanence sa nouvelle configuration dans une solution à base de peroxyde d’hydrogène. Ce processus de fabrication en deux étapes a permis aux chercheurs d’adapter des géométries de base imprimées en 3D pour obtenir des architectures permanentes avec un degré de complexité plus élevé.

Sur la base de la nouvelle étude, les scientifiques ont pu déterminer que la combinaison unique de performances mécaniques élevées et d’effet de mémoire de forme rend le matériau d’ingénierie adapté à la conception d’actionneurs qui pourraient être utilisés dans l’industrie textile intelligente. La biocompatibilité et l’affinité corporelle du matériau peuvent être mises à profit pour remplacer les polymères à base d’huile utilisés pour concevoir des vêtements sensibles aux contraintes et adaptables au corps.

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Ces dernières années, plusieurs entreprises ont tenté d’introduire la technologie dans les textiles d’habillement en créant des vêtements intelligents dans le cadre de nouveaux modèles commerciaux potentiels pour la prochaine décennie. Par exemple, Under Armour a développé une gamme de vêtements qui absorbent la chaleur du corps humain et la reflètent sur la peau du porteur sous forme de lumière infrarouge lointaine, qui est une énergie sûre qui est censée favoriser une meilleure récupération musculaire et améliorer la relaxation; tandis que les chercheurs de Georgia Tech ont créé des fils à récupération d’énergie qui peuvent être tissés dans des textiles lavables.

«Que vous utilisiez de telles fibres pour fabriquer des soutiens-gorge dont la taille et la forme du bonnet peuvent être personnalisées chaque jour, ou que vous essayiez de fabriquer des textiles d’actionnement pour la thérapeutique médicale, les possibilités du travail de Luca sont vastes et passionnantes», a déclaré Parker. «Nous continuons à réinventer les textiles en utilisant des molécules biologiques comme substrats d’ingénierie comme elles n’ont jamais été utilisées auparavant.»

La recherche pourrait également aider à aborder l’effort plus large de réduction des déchets dans l’industrie de la mode – l’un des plus gros pollueurs de la planète – qui a déjà des marques comme Stella McCarthy et même le géant de la mode Zara qui réinvente la façon dont l’industrie utilise des matériaux, y compris la laine, travaillant à un mouvement de mode plus durable. Par exemple, les déchets de kératine sont considérés comme un polluant environnemental, car ils sont généralement jetés, enfouis ou incinérés après avoir été jetés des fermes avicoles, des abattoirs et des industries du cuir, c’est pourquoi de nouveaux matériaux utilisant des déchets de kératine pourraient offrir une solution durable pour une Terre contaminée physiquement et biologiquement de manière dévastatrice.

Les progrès des nouveaux matériaux pour l’industrie de l’impression 3D ont augmenté au cours des cinq dernières années, en particulier avec la recrudescence de la demande de dispositifs à mémoire de forme dans les domaines du génie civil, de l’aérospatiale, des technologies portables et des dispositifs médicaux. La biocompatibilité et la transformabilité de ce nouveau matériau particulier grâce à la technologie d’impression 3D sont très prometteuses, selon les auteurs, rendant le matériau idéal pour la production d’architectures complexes avec des caractéristiques structurelles micrométriques qui pourraient très bien fonctionner dans les dispositifs de bio-ingénierie.

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