Des chercheurs de Princeton ont créé un nouveau type d'hydrogel recyclable, tout en restant suffisamment résistant et stable pour une utilisation pratique (et une réutilisation).
En tant que réseaux flexibles de chaînes polymères imprégnées d’eau, les hydrogels possèdent d’excellentes propriétés, notamment la douceur, l’élasticité et la biocompatibilité. En conséquence, les matériaux spongieux ont déjà été largement utilisés comme lentilles de contact et pansements. Les hydrogels sont également très prometteurs pour les systèmes d'administration de médicaments, l'agriculture et l'emballage alimentaire, entre autres applications.
Malheureusement, les hydrogels conventionnels posent des problèmes de pollution environnementale car ils ne peuvent pas être recyclés ou retraités efficacement. Les hydrogels se dégradent également lors d’une utilisation à long terme. Les chercheurs ont déclaré que ces limitations découlent de la structure des matériaux.
Les hydrogels conventionnels s'appuient sur des liaisons chimiques pour leur fermeté et leur capacité à absorber l'eau et d'autres solvants. Au niveau chimique, ces liaisons sont réticulées, ce qui signifie que des liaisons se forment entre différentes molécules de polymère au sein de l'hydrogel. Cette réticulation, caractéristique des résines en cours de durcissement ou de vulcanisation du caoutchouc, confère aux hydrogels flexibilité et résistance. Mais cela les rend également extrêmement difficiles à séparer en composants à recycler.
L'auteur principal de l'étude, Xiaohui Xu, chercheuse postdoctorale, a déjà travaillé avec des hydrogels destinés à la purification de l'eau et s'est demandé si elle pouvait créer un hydrogel plus respectueux de l'environnement. Xu et ses collègues ont adopté une nouvelle approche pour créer des hydrogels. Plutôt que de s'appuyer sur des liaisons chimiques pour relier différents polymères, les chercheurs ont décidé d'exploiter la séparation de phases, un phénomène familier dans lequel des liquides mélangés, tels que l'huile et l'eau, se séparent en composants.
"Les hydrogels offrent d'énormes avantages sociétaux, mais leur manque de durabilité apparaît comme un problème important", a déclaré Xu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Rodney Priestley, professeur Pomeroy et Betty Perry Smith de génie chimique et biologique à Princeton. "Dans cette étude, nous avons montré comment tirer parti de la séparation de phases peut conduire à de nouveaux types d'hydrogels durables et recyclables tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques."
Les chercheurs ont décrit le processus dans une étude intitulée « Gels supramoléculaires à phases séparées résistants et recyclables via un cycle de déshydratation-hydratation », publiée dans JACS Au. en septembre.
Pour fabriquer le nouvel hydrogel, les chercheurs ont formulé des polymères ayant une relation complexe et variable avec l'eau. Les molécules de polymère sont de longues chaînes de molécules plus petites (appelées monomères). Les chercheurs ont créé des polymères qui aiment l’eau dans certaines sections de la chaîne et qui sont hydrofuges dans d’autres sections. Lorsqu’ils ajoutaient de l’eau au mélange de polymères, certaines parties des polymères absorbaient l’eau, tandis que d’autres la repoussaient. Cette tension a donné à l'hydrogel sa résistance structurelle.
Contrairement aux hydrogels conventionnels, la résistance repose sur des caractéristiques physiques plutôt que sur les liaisons chimiques entre les polymères. Ainsi, le recyclage de l'hydrogel en ses polymères composants est relativement facile, tout comme la déshydratation et la réhydratation répétées du matériau.
De plus, a déclaré Xu, le processus permet aux ingénieurs d'adapter les caractéristiques d'un hydrogel en ajustant les composants des polymères. L’équipe de recherche en a profité pour créer un hydrogel qui pouvait être découpé et moulé dans n’importe quelle forme souhaitée. Pour la recherche, Xu a fabriqué une pieuvre.
"Xiaohui a utilisé la séparation de phases comme moyen de contrôler la morphologie et, finalement, les propriétés de ces matériaux hydrogels", a déclaré Priestley, auteur principal de l'article et doyen de la Graduate School de Princeton. "Ce travail démontre une approche respectueuse de l'environnement pour fabriquer des hydrogels résistants et réutilisables."
Les chercheurs de Princeton ont mis le nouvel hydrogel à l'épreuve, testant sa stabilité dans des conditions acides et alcalines extrêmes, ainsi que dans l'air et l'eau. Dans l’ensemble, l’hydrogel a résisté et a fonctionné comme prévu.
Avec des tests et des développements supplémentaires, le nouveau matériau pourrait rendre les applications existantes et émergentes des hydrogels, telles que les muscles artificiels et les robots souples pour un fonctionnement sûr en présence d'humains, plus durables et plus respectueuses de l'environnement.
"Notre approche générale concernant les hydrogels recyclables pourrait contribuer à étendre leurs applications dans toutes sortes de domaines", a déclaré Xu. "Les avantages des hydrogels peuvent désormais être mieux exploités sans les coûts environnementaux."
Xu a déclaré qu'à long terme, l'équipe de recherche étudie si les hydrogels pourraient éventuellement servir de substitut aux plastiques dans de nombreuses applications. Si tel est le cas, les hydrogels avancés pourraient devenir une solution recyclable à la pollution plastique qui menace les océans.
Plus d'informations : Xiaohui Xu et al, Gels supramoléculaires à phases séparées résistants et recyclables via un cycle de déshydratation-hydratation, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00326
Fourni par l'Université de Princeton
