Image au microscope électronique à balayage de l'extrémité antérieure de la radula avec des dents matures. Crédit :Université Northwestern
Les chercheurs de l'Université Northwestern ont, pour la première fois, découvert un minéral rare caché à l'intérieur des dents d'un chiton, un grand mollusque trouvé le long des côtes rocheuses. Devant cette étrange surprise, le minerai de fer, appelé santabarbaraite, seulement avait été documenté dans les roches.
La nouvelle découverte aide à comprendre comment toute la dent de chiton, pas seulement l'ultradure, cuspide durable - est conçue pour supporter la mastication des roches pour se nourrir. À base de minéraux trouvés dans les dents de chiton, les chercheurs ont développé une encre bio-inspirée pour l'impression 3D ultradure, matériaux rigides et durables.
"Ce minéral n'a été observé dans des spécimens géologiques qu'en très petites quantités et n'a jamais été vu auparavant dans un contexte biologique, " a déclaré Derk Joester de Northwestern, l'auteur principal de l'étude. "Il a une forte teneur en eau, ce qui le rend fort avec une faible densité. Nous pensons que cela pourrait durcir les dents sans ajouter beaucoup de poids."
L'étude sera publiée la semaine du 31 mai dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
Joester est professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Linus Stegbauer, un ancien stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Joester, est le premier auteur de l'article. A Northwestern pendant la recherche, Stegbauer est maintenant chercheur principal à l'Institut d'ingénierie des processus interfacial et de technologie plasma de l'Université de Stuttgart en Allemagne.
Image en mosaïque de la radula entière avec des dents montrant tous les stades de développement. Crédit :Université Northwestern
L'un des matériaux les plus durs connus dans la nature, les dents de chiton sont attachées à un doux, souple, radula en forme de langue, qui racle les rochers pour ramasser les algues et autres aliments. Ayant longuement étudié les dents de chiton, Joester et son équipe se sont récemment tournés vers Cryptochiton stelleri, un géant, chiton brun rougeâtre qui est parfois affectueusement appelé le « pain de viande errant ».
Pour examiner une dent de Cryptochiton stelleri, L'équipe de Joester a collaboré avec Ercan Alp, un scientifique principal à la source avancée de photons du Laboratoire national d'Argonne, d'utiliser la spectroscopie synchrotron Mössbauer de l'installation ainsi qu'avec Paul Smeets pour utiliser la microscopie électronique à transmission au Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization and Experiment (NUANCE) Center. Ils ont trouvé la santabarbaraite dispersée dans tout le stylet supérieur du chiton, le long de, structure creuse qui relie la tête de la dent à la membrane flexible de la radula.
"Le stylet est comme la racine d'une dent humaine, qui relie la cuspide de notre dent à notre mâchoire, " Joester a déclaré. "C'est un matériau dur composé de nanoparticules extrêmement petites dans une matrice fibreuse faite de biomacromolécules, semblable aux os de notre corps."
Le groupe de Joester s'est lancé le défi de recréer ce matériau dans une encre conçue pour l'impression 3D. Stegbauer a développé une encre réactive comprenant des ions fer et phosphate mélangés dans un biopolymère dérivé de la chitine. Avec Shay Wallace, un étudiant diplômé de Northwestern dans le laboratoire de Mark Hersam, Stegbauer a constaté que l'encre s'imprimait bien lorsqu'elle était mélangée juste avant l'impression.
"Comme les nanoparticules se forment dans le biopolymère, il devient plus fort et plus visqueux. Ce mélange peut ensuite être facilement utilisé pour l'impression. Le séchage ultérieur à l'air conduit au matériau final dur et rigide, " a déclaré Joester. Joester pense que nous pouvons continuer à apprendre et à développer des matériaux inspirés du stylet du chiton, qui relie les dents ultra-dures à une radula molle.
"Nous sommes fascinés par le chiton depuis longtemps, " a-t-il dit. " Les structures mécaniques ne valent que par leur maillon le plus faible, il est donc intéressant d'apprendre comment le chiton résout le problème technique de la connexion de sa dent ultradure à une structure sous-jacente molle. Cela reste un défi important dans la fabrication moderne, nous nous tournons donc vers des organismes comme le chiton pour comprendre comment cela se fait dans la nature, qui a eu quelques centaines de millions d'années pour se développer."
