"À ce moment là, nous avions le sentiment que les nanofibres dans les hydrogels étaient importantes, et espérait manipuler les structures fibrillaires afin d'optimiser la résistance à la fatigue, " dit Lin.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont combiné un certain nombre de techniques pour créer des nanofibres d'hydrogel plus résistantes. Le processus commence par l'électrofilage, une technique de production de fibres qui utilise des charges électriques pour extraire des fils ultrafins de solutions polymères. L'équipe a utilisé des charges haute tension pour faire tourner des nanofibres à partir d'une solution de polymère, former un film plat de nanofibres, chacun mesurant environ 800 nanomètres, soit une fraction du diamètre d'un cheveu humain.

Ils ont placé le film dans une chambre à haute humidité pour souder les fibres individuelles dans un solide, réseau interconnecté, puis placer le film dans un incubateur pour cristalliser les nanofibres individuelles à haute température, renforcer encore le matériau.

Ils ont testé la résistance à la fatigue du film en le plaçant dans une machine qui l'a étiré à plusieurs reprises sur des dizaines de milliers de cycles. Ils ont également fait des encoches dans certains films et observé comment les fissures se sont propagées à mesure que les films étaient étirés à plusieurs reprises. A partir de ces tests, ils ont calculé que les films nanofibreux étaient 50 fois plus résistants à la fatigue que les hydrogels nanofibreux conventionnels.

Vers cette heure-ci, ils ont lu avec intérêt une étude de Ming Guo, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, qui a caractérisé les propriétés mécaniques du ventre d'un homard. Cette membrane protectrice est constituée de fines feuilles de chitine, un naturel, matériau fibreux dont la composition est similaire aux nanofibres d'hydrogel du groupe.

Guo a découvert qu'une coupe transversale de la membrane du homard révélait des feuilles de chitine empilées à des angles de 36 degrés, semblable au contreplaqué tordu, ou un escalier en colimaçon. Cette rotation, configuration en couches, connue sous le nom de structure bouligand, amélioré les propriétés d'élasticité et de résistance de la membrane.

"Nous avons appris que cette structure bouligande dans le ventre du homard a des performances mécaniques élevées, ce qui nous a motivé à voir si nous pouvions reproduire de telles structures dans des matériaux synthétiques, " dit Lin.

Architecture en angle

Non, Lin, et les membres du groupe de Zhao ont fait équipe avec le laboratoire de Nelson et le groupe de Radovitzky à l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, et le laboratoire de Qin à l'Université de Syracuse, pour voir s'ils pouvaient reproduire la structure membranaire du bouligand du homard à l'aide de leur synthétique, films résistants à la fatigue.

"Nous avons préparé des nanofibres alignées par électrofilage pour imiter les fibres chiniques présentes dans le ventre du homard, " dit Ni.

Après électrofilage de films nanofibreux, les chercheurs ont empilé chacun des cinq films successivement, Angles de 36 degrés pour former une structure de bouligand unique, qu'ils ont ensuite soudés et cristallisés pour fortifier le matériau. Le produit final mesurait 9 centimètres carrés et environ 30 à 40 microns d'épaisseur, soit à peu près la taille d'un petit morceau de scotch.

Des tests d'étirement ont montré que le matériau inspiré du homard fonctionnait de la même manière que son homologue naturel, capable de s'étirer à plusieurs reprises tout en résistant aux déchirures et aux fissures - une résistance à la fatigue que Lin attribue à l'architecture inclinée de la structure.

"Intuitivement, une fois qu'une fissure dans le matériau se propage à travers une couche, il est entravé par les couches adjacentes, où les fibres sont alignées à des angles différents, ", explique Lin.

L'équipe a également soumis le matériau à des tests d'impact microbalistique avec une expérience conçue par le groupe de Nelson. Ils ont imagé le matériau pendant qu'ils le tiraient avec des microparticules à grande vitesse, et mesuré la vitesse des particules avant et après avoir déchiré le matériau. La différence de vitesse leur a donné une mesure directe de la résistance aux chocs du matériau, ou la quantité d'énergie qu'il peut absorber, qui s'est avéré être un poids étonnamment difficile de 40 kilojoules par kilogramme. Ce nombre est mesuré à l'état hydraté.

"Cela signifie qu'une bille d'acier de 5 millimètres lancée à 200 mètres par seconde serait arrêtée par 13 millimètres de matière, " dit Veysset. " Il n'est pas aussi résistant que le Kevlar, ce qui nécessiterait 1 millimètre, mais le matériau bat le Kevlar dans de nombreuses autres catégories."

Il n'est pas surprenant que le nouveau matériau ne soit pas aussi résistant que les matériaux antibalistiques commerciaux. Il est, cependant, significativement plus robuste que la plupart des autres hydrogels nanofibreux tels que la gélatine et les polymères synthétiques comme le PVA. Le matériau est également beaucoup plus extensible que le Kevlar. Cette combinaison d'étirement et de force suggère que, si leur fabrication peut être accélérée, et plus de films empilés dans des structures bouligand, les hydrogels nanofibreux peuvent servir de tissus artificiels flexibles et résistants.

"Pour qu'un matériau hydrogel soit un tissu artificiel porteur, la résistance et la déformabilité sont nécessaires, " dit Lin. "Notre conception de matériaux pourrait atteindre ces deux propriétés."