Si vous avez déjà essayé d'arracher une moule d'une digue ou une balane du fond d'un bateau, vous comprendrez que nous pourrions apprendre beaucoup de la nature sur la façon de fabriquer des adhésifs puissants. Les ingénieurs de l'Université Tufts ont pris note, et rapportent aujourd'hui un nouveau type de colle inspirée par ces crustacés obstinément adhérents dans le journal Sciences avancées .

En commençant par la protéine de soie fibreuse récoltée sur les vers à soie, ils ont pu reproduire les principales caractéristiques de la colle de balane et de moule, y compris les filaments de protéines, réticulation chimique et liaison au fer. Le résultat est une colle non toxique puissante qui durcit et fonctionne aussi bien sous l'eau que dans des conditions sèches et est plus résistante que la plupart des produits de colle synthétique actuellement sur le marché.

"Le composite que nous avons créé fonctionne non seulement mieux sous l'eau que la plupart des adhésifs disponibles aujourd'hui, il atteint cette résistance avec des quantités de matériau beaucoup plus petites, " dit Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble, professeur d'ingénierie à la Tufts School of Engineering, directeur du Tufts Silklab où le matériau a été créé, et auteur correspondant de l'étude. "Et parce que le matériau est fabriqué à partir de sources biologiques extraites, et les produits chimiques sont inoffensifs - tirés de la nature et évitent largement les étapes de synthèse ou l'utilisation de solvants volatils - cela pourrait également présenter des avantages dans la fabrication. "

L'équipe de collage Silklab s'est concentrée sur plusieurs éléments clés à reproduire dans les adhésifs aquatiques. Les moules sécrètent de longs filaments collants appelés byssus. Ces sécrétions forment des polymères, qui s'enfoncent dans les surfaces, et réticuler chimiquement pour renforcer la liaison. Les polymères protéiques sont constitués de longues chaînes d'acides aminés dont une, dihydroxyphénylalanine (DOPA), un acide aminé porteur de catéchol qui peut se réticuler avec les autres chaînes. Les moules ajoutent un autre ingrédient spécial, les complexes de fer, qui renforcent la force de cohésion du byssus.

Les balanes sécrètent un ciment solide composé de protéines qui se transforment en polymères qui s'ancrent sur les surfaces. Les protéines des polymères de ciment de balane replient leurs chaînes d'acides aminés en feuilles bêta - un arrangement en zigzag qui présente des surfaces planes et de nombreuses opportunités pour former de fortes liaisons hydrogène avec la protéine suivante dans le polymère, ou à la surface à laquelle le filament polymère est fixé.

Inspiré par toutes ces astuces de liaison moléculaire utilisées par la nature, L'équipe d'Omenetto s'est mise au travail pour les reproduire, et en s'appuyant sur leur expertise de la chimie de la protéine de fibroïne de soie extraite du cocon de vers à soie. La fibroïne de soie partage de nombreuses caractéristiques de forme et de liaison des protéines de ciment de balane, y compris la possibilité d'assembler de grandes surfaces de feuille bêta. Les chercheurs ont ajouté de la polydopamine, un polymère aléatoire de dopamine qui présente des catéchols de réticulation sur toute sa longueur, un peu comme les moules utilisent pour réticuler leurs filaments de liaison. Finalement, la force d'adhérence est considérablement améliorée en durcissant l'adhésif avec du chlorure de fer, qui sécurise les liens entre les catéchols, tout comme ils le font dans les adhésifs naturels de moules.

"L'association de la fibroïne de soie, la polydopamine et le fer rassemblent la même hiérarchie de liaison et de réticulation qui rend ces adhésifs de balanes et de moules si forts, " a déclaré Marco Lo Presti, chercheur post-doctoral dans le laboratoire d'Omenetto et premier auteur de l'étude. "Nous nous sommes retrouvés avec un adhésif qui ressemble même à son homologue naturel au microscope."

Obtenir le bon mélange de fibroïne de soie, polydopamine, et les conditions acides de durcissement avec des ions de fer étaient essentielles pour permettre à l'adhésif de durcir et de fonctionner sous l'eau, atteignant des résistances de 2,4 MPa (mégapascals; environ 350 livres par pouce carré) en résistant aux forces de cisaillement. C'est mieux que la plupart des adhésifs expérimentaux et commerciaux existants, et seulement légèrement inférieur à l'adhésif sous-marin le plus puissant à 2,8 MPa. Pourtant, cet adhésif a l'avantage supplémentaire d'être non toxique, composé de matériaux entièrement naturels, et ne nécessite que 1 à 2 mg par pouce carré pour obtenir cette liaison, ce n'est que quelques gouttes.

« La combinaison de la sécurité probable, utilisation prudente du matériel, et une résistance supérieure suggère une utilité potentielle pour de nombreuses applications industrielles et marines et pourrait même convenir à des applications axées sur le consommateur telles que la construction de modèles et l'utilisation domestique, " a déclaré le professeur Gianluca Farinola, un collaborateur de l'étude de l'Université de Bari Aldo Moro, et professeur adjoint de génie biomédical à Tufts. « Le fait que nous ayons déjà utilisé la fibroïne de soie comme matériau biocompatible à usage médical nous amène également à explorer ces applications, " a ajouté Omenetto.