Des chercheurs de l'École d'ingénierie de l'Université Tufts ont développé une nouvelle technique bioinspirée qui transforme la protéine de soie en matériaux complexes qui sont facilement programmables au niveau nano-, micro et macro-échelles ainsi que ultraléger et robuste. Parmi les structures variées générées figurait une nappe de nanofibres de soie capable de résister à une charge 4, 000 fois son propre poids. La recherche est publiée en ligne dans Nature Nanotechnologie le 27 février.

Les protéines structurelles sont les éléments constitutifs de la nature, former des matériaux qui assurent la rigidité, structure et fonction dans les systèmes biologiques. Un obstacle majeur à la fabrication de matériaux synthétiques comparables est la structure hiérarchique des matériaux naturels qui confère des propriétés uniques du niveau moléculaire au niveau macro. Lorsque les scientifiques tentent d'imiter cette structure, ils constatent souvent que le contrôle à une échelle entrave le contrôle à d'autres échelles.

Les chercheurs de Tufts ont combiné l'auto-assemblage ascendant caractéristique des matériaux naturels avec assemblage descendant pour contrôler simultanément la géométrie à toutes les échelles, contraintes micromécaniques et dynamique d'élimination des solvants, qui déterminent toutes les propriétés des biomatériaux.

"Nous avons généré contrôlable, matériaux multi-échelles qui pourraient être facilement conçus avec des agents dopants. Alors que la soie est notre objectif principal, nous pensons que cette approche est applicable à d'autres biomatériaux et composites et hydrogels synthétiques, " a déclaré l'auteur correspondant Fiorenzo Omenetto, Doctorat., Frank C. Doble Professeur au Département de génie biomédical. Omenetto a également un poste au Département de génie électrique et informatique et au Département de physique de l'École des arts et des sciences.

Avec la nouvelle technique, des moules en silicone à l'échelle centimétrique ont été modelés avec des caractéristiques à l'échelle microscopique pas plus épaisses qu'un cheveu humain. Un gel aqueux de protéine de fibroïne dérivé de cocons de vers à soie a été injecté dans les moules puis stressé mécaniquement par contraction du gel en présence d'eau et d'éthanol et/ou déformation physique de l'ensemble de la moisissure. Au fur et à mesure que le système séchait, la structure de la protéine de soie s'est naturellement transformée en un cristal à feuillet bêta plus robuste. La forme finale et les propriétés mécaniques du matériau ont été conçues avec précision en contrôlant le modèle de moule à micro-échelle, contraction du gel, déformation des moisissures et déshydratation de la soie.

"Le résultat final de notre procédé est une architecture stable de nanofibres alignées, similaire à la soie naturelle mais nous offrant la possibilité d'intégrer la fonctionnalité dans le matériau, " a déclaré le premier auteur Peter Tseng, Doctorat., chercheur postdoctoral au Silk Lab d'Omenetto à la Tufts' School of Engineering.

Dans certaines des expériences, les chercheurs de Tufts ont dopé le gel de soie avec des nanoparticules d'or capables de transporter la chaleur lorsqu'elles sont exposées à la lumière.

Tseng a noté que les toiles tissées par les araignées sont structurellement denses plutôt que poreuses. "En revanche, notre structure web est aérée, poreux et ultra-léger tout en étant robuste au toucher humain, qui peut permettre des applications quotidiennes à l'avenir, " a-t-il dit. Une bande de 2 à 3 cm de diamètre pesant environ 2,5 mg était capable de supporter un poids de 11 grammes.