Les systèmes biologiques peuvent exploiter leurs cellules vivantes pour la croissance et la régénération, mais les systèmes d'ingénierie ne le peuvent pas. Jusqu'à maintenant.

Qiming Wang et des chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering exploitent des bactéries vivantes pour créer des matériaux d'ingénierie solides, tolérant, et résilient. La recherche est publiée dans Matériaux avancés .

« Les matériaux que nous fabriquons sont vivants et auto-croissants, " dit Wang, titulaire de la chaire Stephen Schrank Early Career en génie civil et environnemental et professeur adjoint de génie civil et environnemental au département de génie civil et environnemental de Sonny Astani (CEE). "Nous sommes émerveillés par les microstructures sophistiquées des matériaux naturels depuis des siècles, surtout après l'invention des microscopes pour observer ces minuscules structures. Maintenant, nous faisons un pas important en avant :nous utilisons des bactéries vivantes comme un outil pour développer directement des structures étonnantes qui ne peuvent pas être fabriquées par nous-mêmes."

Les chercheurs travaillent avec des bactéries spécifiques—S. pasteurii—connu pour sécréter une enzyme appelée uréase. Lorsque l'uréase est exposée aux ions urée et calcium, il produit du carbonate de calcium, un composé minéral fondamental et fort présent dans les os ou les dents. « L'innovation clé de notre recherche, " dit Wang, « est-ce que nous guidons les bactéries pour qu'elles cultivent des minéraux de carbonate de calcium afin d'obtenir des microstructures ordonnées similaires à celles des composites minéralisés naturels. »

Wang a ajouté :« Les bactéries savent économiser du temps et de l'énergie pour faire les choses. Elles ont leur propre intelligence, et nous pouvons exploiter leur intelligence pour concevoir des matériaux hybrides supérieurs aux options entièrement synthétiques.

S'inspirer de la nature n'est pas nouveau en ingénierie. Comme on s'en doute, la nature a d'excellents exemples de composites minéralisés complexes qui sont forts, résistant à la rupture, et l'amortissement énergétique, par exemple la nacre ou la coquille dure entourant un mollusque.

Wang a déclaré :« Bien que les micro-organismes tels que les bactéries, les champignons et les viri sont parfois nuisibles pour provoquer des maladies, comme le COVID-19, ils peuvent également être bénéfiques. Nous utilisons depuis longtemps des micro-organismes comme usines, par exemple, utiliser de la levure pour faire de la bière. Mais il y a peu de recherches sur l'utilisation de micro-organismes pour fabriquer des matériaux d'ingénierie. »

Combinant bactéries vivantes et matières synthétiques, Wang a déclaré que ce nouveau matériau vivant présente des propriétés mécaniques supérieures à celles de tout matériau naturel ou synthétique actuellement utilisé. Ceci est en grande partie dû à la structure bouligand du matériau, qui se caractérise par de multiples couches de minéraux disposées à des angles variables les unes par rapport aux autres pour former une sorte de « torsion » ou de forme hélicoïdale. Cette structure est difficile à créer synthétiquement.

Wang a travaillé en collaboration avec les chercheurs de l'USC Viterbi An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, et Kyung Hoon Lee. Un soutien supplémentaire a été fourni par Lizhi Sun, professeur de génie civil à l'Université de Californie, Irvine, et son élève Shengwei Feng.

Qu'y a-t-il dans une forme ?

L'une des propriétés clés d'un composite minéralisé, Wang a dit, est qu'il peut être manipulé pour suivre différentes structures ou modèles. Les chercheurs ont observé il y a longtemps la capacité d'une crevette mante à utiliser son "marteau" pour ouvrir une coquille musculaire. En regardant son « marteau » – une structure ou une main en forme de massue – de plus près, ils ont trouvé qu'il était arrangé dans une structure bouligand. Cette structure offre une résistance supérieure à celle disposée à des angles plus homogènes, par exemple en alternant la structure en treillis du matériau à 90 degrés avec chaque couche.

« Créer cette structure de manière synthétique est très difficile sur le terrain, " a déclaré Wang. " Nous avons donc proposé d'utiliser des bactéries pour y parvenir à la place. "

Pour construire le matériel, les chercheurs ont imprimé en 3D une structure en treillis ou un échafaudage. Cette structure contient des carrés vides et les couches de treillis sont posées à des angles variables pour créer un échafaudage en ligne avec la forme hélicoïdale.

Les bactéries sont ensuite introduites dans cette structure. Les bactéries aiment intrinsèquement se fixer aux surfaces et graviteront vers l'échafaudage, saisissant le matériau avec leurs « jambes ». Là, les bactéries vont sécréter de l'uréase, l'enzyme qui déclenche la formation de cristaux de carbonate de calcium. Ceux-ci poussent de la surface vers le haut, remplissant éventuellement les minuscules carrés ou vides de la structure en treillis imprimée en 3D. Les bactéries comme les surfaces poreuses, Wang a dit, leur permettant de créer différents motifs avec les minéraux.

Le Trifecta

« Nous avons effectué des tests mécaniques qui ont démontré que la résistance de telles structures était très élevée. " dit An Xin, un doctorant du CEE.

Les matériaux existants ont montré une résistance exceptionnelle, résistance à la rupture, et la dissipation d'énergie, mais il n'a pas été démontré que la combinaison des trois éléments fonctionnait aussi bien que dans les matériaux vivants créés par Wang et son équipe.

"Nous avons fabriqué quelque chose de très rigide et solide, ", a déclaré Wang. "Les implications immédiates concernent l'utilisation dans des infrastructures telles que les panneaux aérospatiaux et les châssis de véhicules."

Les matériaux vivants sont relativement légers, offrant également des options pour les applications de défense comme les gilets pare-balles ou les gilets pare-balles. "Ce matériau pourrait résister à la pénétration des balles et dissiper l'énergie de sa libération pour éviter les dommages, " dit Yipin Su, un post-doctorant travaillant avec Wang.

Il est même possible que ces matériaux soient réintroduits dans les bactéries lorsque des réparations sont nécessaires.

"Une vision intéressante est que ces matériaux vivants possèdent encore des propriétés d'auto-croissance, " Wang a dit. " Quand il y a des dommages à ces matériaux, nous pouvons introduire des bactéries pour faire repousser les matériaux. Par exemple, si nous les utilisons dans un pont, nous pouvons réparer les dommages lorsque
nécessaire."