Les systèmes biologiques peuvent exploiter leurs cellules vivantes pour la croissance et la régénération, mais les systèmes d’ingénierie ne le peuvent pas. Jusqu’à maintenant.



Qiming Wang et des chercheurs de l’USC Viterbi School of Engineering exploitent des bactéries vivantes pour créer des matériaux d’ingénierie solides, tolérants et résilients. La recherche est publiée dans Sophisticated Products.

« Les matériaux que nous fabriquons sont vivants et se développent spontanément », a déclaré Wang, titulaire de la Chaire Stephen Schrank Early Job en génie civil et environnemental et professeur adjoint de génie civil et environnemental au Département de génie civil et environnemental (CEE) de Sonny Astani. « Nous avons été étonnés par les microstructures sophistiquées des matériaux naturels pendant des siècles, en particulier après que les microscopes ont été inventés pour observer ces minuscules structures. Maintenant, nous faisons un pas en avant vital: nous utilisons des bactéries vivantes comme un outil pour développer directement des constructions étonnantes qui ne peuvent pas être fabriquées par nos propres moyens. »



Les chercheurs travaillent avec des bactéries spécifiques – S. pasteurii – connues pour sécréter une enzyme appelée uréase. Lorsque l’uréase est exposée à l’urée et aux ions calcium, elle produit du carbonate de calcium, un composé minéral fondamental et fort présent dans les os ou les dents. « La principale innovation dans notre recherche », a déclaré Wang, « est que nous guidons les bactéries pour qu’elles cultivent des minéraux de carbonate de calcium pour obtenir des microstructures ordonnées similaires à celles des composites minéralisés naturels. »

Wang a ajouté: « Les bactéries savent comment gagner du temps et de l’énergie pour faire des choses. Elles ont leur propre intelligence et nous pouvons exploiter leur intelligence pour concevoir des matériaux hybrides supérieurs aux selections entièrement synthétiques.

Emprunter l’inspiration de la nature n’est pas nouveau en ingénierie. Comme on peut s’en douter, la mother nature a de bons exemples de composites minéralisés complexes qui sont solides, résistants à la fracture et amortisseurs d’énergie – par exemple la nacre ou la coquille dure entourant un mollusque.

Wang a déclaré: « Bien que les micro-organismes tels que les bactéries, les champignons et les virus soient parfois nuisibles pour provoquer des maladies – comme le COVID-19 – ils peuvent également être bénéfiques. Nous utilisons depuis longtemps des micro-organismes comme usines – par exemple, en utilisant des levures pour faire de la bière. Mais les recherches sur l’utilisation de micro-organismes pour fabriquer des matériaux d’ingénierie sont limitées.  »

Combinant des bactéries vivantes et des matériaux synthétiques, Wang a déclaré que ce nouveau matériau vivant présente des propriétés mécaniques supérieures à celles de tout matériau naturel ou synthétique actuellement utilisé. Ceci est en grande partie dû à la structure bouligand du matériau, qui se caractérise par de multiples couches de minéraux posées à des angles variables les unes des autres pour previous une sorte de « torsion » ou de forme hélicoïdale. Cette composition est difficile à créer de manière synthétique.

Wang a travaillé en collaboration avec les chercheurs de l’USC Viterbi An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng et Kyung Hoon Lee. Un soutien supplémentaire a été fourni par Lizhi Sunshine, professeur de génie civil à l’Université de Californie à Irvine, et son étudiant Shengwei Feng.

Qu’est-ce qui est en forme ?

L’une des propriétés clés d’un composite minéralisé, a déclaré Wang, est qu’il peut être manipulé pour suivre différentes constructions ou motifs. Les chercheurs ont observé il y a longtemps la capacité d’une crevette mante à utiliser son « marteau » pour casser une coquille musculaire. En regardant son « marteau » – une framework ou une key en forme de club – de plus près, ils ont trouvé qu’il était disposé dans une structure de bouligand. Cette composition offre une résistance supérieure à celle disposée à des angles furthermore homogènes – par exemple en alternant la structure en treillis du matériau à 90 degrés avec chaque couche.

« Créer cette construction de manière synthétique est très difficile sur le terrain », a déclaré Wang. « Nous avons donc proposé d’utiliser des bactéries pour y parvenir à la location. »

Afin de construire le matériau, les chercheurs ont imprimé en 3D une construction en treillis ou un échafaudage. Cette composition a des carrés vides en son sein et les couches de treillis sont posées à des angles variables pour créer un échafaudage en ligne avec la forme hélicoïdale.

Les bactéries sont ensuite introduites dans cette composition. Les bactéries aiment intrinsèquement s’attacher aux surfaces et graviteront vers l’échafaudage, s’accrochant au matériau avec leurs « pattes ». Là, les bactéries sécrètent de l’uréase, l’enzyme qui déclenche la development de cristaux de carbonate de calcium. Celles-ci poussent de la floor vers le haut, remplissant éventuellement les minuscules carrés ou vides dans la framework en treillis imprimée en 3-D. Les bactéries aiment les surfaces poreuses, a déclaré Wang, leur permettant de créer différents motifs avec les minéraux.

Le Trifecta

« Nous avons fait des assessments mécaniques qui ont démontré que la résistance de ces buildings était très élevée. Elles ont également pu résister à la propagation des fissures – les fractures – et aider à amortir ou à dissiper l’énergie dans le matériau », a déclaré An Xin, doctorant du CEE.

Les matériaux existants ont montré une résistance, une résistance à la fracture et une dissipation d’énergie exceptionnelles, mais la combinaison des trois éléments n’a pas été démontrée pour fonctionner aussi bien que dans les matériaux vivants créés par Wang et son équipe.

« Nous avons fabriqué quelque selected de très rigide et solide », a déclaré Wang. « Les implications immédiates concernent une utilisation dans des infrastructures telles que les panneaux aérospatiaux et les châssis de véhicules. »

Les matériaux vivants sont relativement légers, offrant également des alternatives pour des apps de défense telles que le gilet pare-balles ou le blindage de véhicule. « Ce matériau pourrait résister à la pénétration des balles et dissiper l’énergie de sa libération pour éviter les dommages », a déclaré Yipin Su, un publish-doctorant travaillant avec Wang.

Il est même feasible que ces matériaux soient réintroduits dans les bactéries lorsque des réparations sont nécessaires.

« Une vision intéressante est que ces matériaux vivants possèdent toujours des propriétés d’auto-croissance », a déclaré Wang. « Lorsqu’il y a des dommages à ces matériaux, nous pouvons introduire des bactéries pour faire repousser les matériaux. Par exemple, si nous les utilisons dans un pont, nous pouvons réparer les dommages si nécessaire.