Le travail est détaillé dans un article publié le 30 avril dans Nature Communications. .

Le TPU biodégradable a été fabriqué à partir de spores bactériennes provenant d'une souche de Bacillus subtilis qui a la capacité de décomposer les matériaux polymères plastiques.

"C'est une propriété inhérente à ces bactéries", a déclaré Jon Pokorski, co-auteur principal de l'étude, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego et co-responsable du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l'université. "Nous avons pris quelques souches et évalué leur capacité à utiliser les TPU comme seule source de carbone, puis avons choisi celle qui poussait le mieux."

Les chercheurs ont utilisé des spores bactériennes, une forme dormante de bactéries, en raison de leur résistance aux conditions environnementales difficiles. Contrairement aux spores fongiques, qui jouent un rôle reproducteur, les spores bactériennes possèdent un bouclier protéique protecteur qui permet aux bactéries de survivre lorsqu'elles sont dans un état végétatif.

Pour fabriquer le plastique biodégradable, les chercheurs ont introduit des spores de Bacillus subtilis et des pastilles de TPU dans une extrudeuse de plastique. Les ingrédients ont été mélangés et fondus à 135 degrés Celsius, puis extrudés sous forme de fines bandes de plastique.

Pour évaluer la biodégradabilité du matériau, les bandes ont été placées dans des environnements de compost microbien actif et stérile. Les installations de compostage ont été maintenues à 37 degrés Celsius avec une humidité relative allant de 44 à 55 %. L'eau et d'autres nutriments présents dans le compost ont déclenché la germination des spores contenues dans les bandes de plastique, qui ont atteint un taux de dégradation de 90 % en cinq mois.

"Ce qui est remarquable, c'est que notre matériau se décompose même sans la présence de microbes supplémentaires", a déclaré Pokorski. "Il y a de fortes chances que la plupart de ces plastiques ne finissent pas dans des installations de compostage riches en microbes. Cette capacité à s'autodégrader dans un environnement sans microbes rend donc notre technologie plus polyvalente."

Bien que les chercheurs doivent encore étudier ce qui reste après la dégradation du matériau, ils notent que les spores bactériennes persistantes sont probablement inoffensives. Bacillus subtilis est une souche utilisée dans les probiotiques et est généralement considérée comme sans danger pour les humains et les animaux. Elle peut même être bénéfique pour la santé des plantes.

Dans cette étude, les spores bactériennes ont été conçues de manière évolutive pour survivre aux températures élevées nécessaires à la production de TPU. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée évolution adaptative en laboratoire pour créer une souche résistante aux températures d’extrusion. Le processus consiste à faire croître les spores, à les soumettre à des températures extrêmes pendant des périodes de temps croissantes et à leur permettre de muter naturellement. Les souches qui survivent à ce processus sont ensuite isolées et soumises à nouveau au cycle.

"Nous avons continuellement fait évoluer les cellules encore et encore jusqu'à ce que nous arrivions à une souche optimisée pour tolérer la chaleur", a déclaré Adam Feist, co-auteur principal de l'étude, chercheur en bio-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego. "C'est incroyable à quel point ce processus d'évolution et de sélection bactérienne a fonctionné dans ce but."

Les spores servent également de charge de renforcement, de la même manière que les barres d’armature renforcent le béton. Le résultat est une variante de TPU aux propriétés mécaniques améliorées, nécessitant plus de force pour se briser et présentant une plus grande extensibilité.

"Ces deux propriétés sont grandement améliorées simplement en ajoutant des spores", a déclaré Pokorski. "C'est formidable car l'ajout de spores pousse les propriétés mécaniques au-delà des limites connues où il y avait auparavant un compromis entre résistance à la traction et extensibilité."

Alors que l’étude actuelle s’est concentrée sur la production de plus petites quantités à l’échelle du laboratoire pour comprendre la faisabilité, les chercheurs travaillent à l’optimisation de l’approche pour une utilisation à l’échelle industrielle. Les efforts en cours incluent l'augmentation de la production jusqu'à des quantités de kilogrammes, la évolution des bactéries pour décomposer les matières plastiques plus rapidement et l'exploration d'autres types de plastiques au-delà du TPU.

"Il existe de nombreux types de plastiques commerciaux qui finissent dans l'environnement. Le TPU n'est que l'un d'entre eux", a déclaré Feist. "L'une de nos prochaines étapes consiste à élargir la gamme de matériaux biodégradables que nous pouvons fabriquer avec cette technologie."