Les matériaux à structure améliorée dérivés de crustacés et d'algues pourraient faire partie d'une réponse de nouvelle génération au défi du remplacement des films plastiques à base de pétrole, selon une nouvelle étude de l'Université d'État de Caroline du Nord.

La combinaison du chitosane, un biopolymère qui rend les carapaces de crabe dures, avec de l'agarose, un biopolymère extrait d'algues utilisé pour fabriquer des gels, crée des films composites biopolymères uniques dotés d'une résistance accrue. Les films sont également biodégradables, possèdent des propriétés antibactériennes, repoussent l'eau et sont transparents. Les résultats pourraient éventuellement conduire à des films d'emballage durables pour les aliments et les biens de consommation.

"Comment trouver des substituts durables aux polymères synthétiques ?" » a demandé Orlin Velev, professeur émérite S. Frank et Doris Culberson de génie chimique et biomoléculaire à NC State et auteur correspondant d'un article décrivant la recherche.

"Les polymères synthétiques font de très bons films, mais nous souhaitons les remplacer par des biopolymères naturels. La question est de savoir comment ajuster la structure commune de ces polymères naturels - dans notre cas, l'agarose et le chitosane - afin d'avoir toutes les propriétés souhaitables de des polymères synthétiques à l'intérieur d'un film durable et biodégradable ? 

Il ne suffit peut-être pas de simplement mélanger du chitosane et de l’agarose. Velev affirme que les efforts antérieurs pour produire de tels mélanges ont rapporté des améliorations des propriétés, mais une fois séchés, ils ont créé des films granuleux qui peuvent ne pas avoir la bonne résistance.

Au lieu de cela, Velev et ses collaborateurs ont adopté une approche différente, renforçant les films d'agarose avec un matériau fibrillé à base de tartre colloïdal, appelé colloïdes dendritiques mous, fabriqué à partir de chitosane. Les fortes fibrilles de chitosane à l'échelle micro et nanométrique sont ramifiées hiérarchiquement pour fournir résistance et stabilité au film d'agarose où elles sont intégrées.

"Il est difficile de modifier chimiquement les polymères naturels, mais nous pouvons modifier leur morphologie et les utiliser comme composites", a déclaré Yosra Kotb, titulaire d'un doctorat à l'État de Caroline du Nord. diplômé et premier auteur de l'article.

"Nous utilisons des particules dendritiques de chitosane pour renforcer la matrice d'agarose en raison de la compatibilité des deux matériaux conduisant à de bonnes propriétés mécaniques ; les particules de chitosane ont également une charge opposée à celle de l'agarose. Lorsqu'elles sont mélangées, ces charges sont neutralisées, de sorte que les matériaux résultants deviennent également plus résistants à l'agarose. de l'eau."

Les composites biopolymères sont environ quatre fois plus résistants que les films d'agarose seuls, montre la recherche, et résistent également à E.coli, une bactérie couramment étudiée. L'article a également montré qu'une feuille fabriquée à partir de films composites de biopolymères s'est fortement dégradée après un mois sous terre, tandis que, à titre de comparaison, un sac à sandwich en plastique commun est resté complètement intact après la même période sous terre.

"Il est intéressant de noter que notre composite est initialement fortement antibactérien", a déclaré Velev, "mais comme il est fabriqué à partir de matériaux naturels, après un certain temps, des bactéries le coloniseront encore - donc après un mois sous terre, il se biodégradera facilement."

Velev a ajouté que son laboratoire continuera à travailler pour améliorer la structure des films composites biopolymères dans le but d'égaler à terme les propriétés de ceux en polymères synthétiques.

"Si vous emballez de la nourriture, vous voulez que l'emballage soit imperméable à l'oxygène et à l'eau", a-t-il déclaré. "Mais les matériaux naturels sont perméables, nous continuerons donc à travailler pour rendre nos films plus imperméables à l'eau et à l'oxygène."

Augmenter l’évolutivité du processus de production de matériaux est également l’un des objectifs futurs. "Comment fabriquer le film de substitution polymère selon un processus continu suffisamment rapide pour le fabriquer en quantités suffisamment importantes, comme pour la fabrication du papier ?" » dit Velev.

Les résultats apparaissent dans Cell Reports Physical Science. .

Plus d'informations : Yosra Kotb et al, Films composites biopolymères renforcés hiérarchiquement comme substitut multifonctionnel aux plastiques, Cell Reports Physical Science (2023). DOI :10.1016/j.xcrp.2023.101732

Informations sur le journal : Rapports cellulaires sur la science physique

Fourni par l'Université d'État de Caroline du Nord