"Fibres micro-gels auto-cicatrisantes et résistantes aux fissures inspirées de la soie d'araignée"

19 mai 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Ces dernières années, les scientifiques des matériaux ont créé de nouveaux matériaux présentant une variété de propriétés avantageuses qui pourraient améliorer les performances de différentes technologies et dispositifs. Cela comprend des fibres à base d'hydrogel et des peaux artificielles, qui pourraient aider à créer des robots humanoïdes souples, des prothèses et même des vêtements intelligents ou des dispositifs portables confortables.

Des chercheurs de l'université Donghua en Chine ont récemment créé de nouvelles microfibres à base d'hydrogel qui sont robustes, auto-guérisseuses et résistantes aux fissures. Ces microfibres, présentées dans Nature Communications, ont été fabriquées à l'aide d'un processus inspiré de la manière dont les araignées tissent leurs toiles.

"Nous avons remarqué que bien que de nombreuses fibres synthétiques à base d'hydrogel aient été synthétisées pour imiter les fonctions de base des fibres biologiques telles que la soie, les fibres musculaires et nerveuses, la plupart d'entre elles ont une très faible résistance aux dommages, ce qui limite considérablement leur durabilité", a déclaré Shengtong Sun, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Tech Xplore. "Cela peut être résolu en apprenant la structure de la soie d'araignée, qui représente presque la limite de la résistance des matériaux biologiques naturels connus."

Les araignées tissent des toiles de soie très résistantes à partir d'une "soupe" aqueuse, une solution cristalline liquide dans laquelle les molécules de protéines peuvent se déplacer librement tout en conservant un certain degré d'ordre. Les toiles qu'elles créent suivent une structure nano-confinée hiérarchique avec des propriétés mécaniques avantageuses.

"Nous avons envisagé que le complexe ionique d'un polyelectrolyte hygroscopique, chargé positivement (PDMAEA-Q) et d'acide polyméthacrylique (PMAA) pourrait être un système idéal pour produire des fibres d'hydrogel tolérantes aux dommages", a expliqué Sun. "Dans la fibre formée, le PMAA formerait des grappes fortement liées par des liaisons hydrogène intégrées dans la matrice souple des complexes ioniques. Cela pourrait théoriquement imiter la structure nano-confinée de la soie d'araignée pour une performance mécanique améliorée."

Les microfibres d'hydrogel des chercheurs ont été produites dans des conditions ambiantes, tout comme celles dans lesquelles les araignées produisent leur toile. Ils ont utilisé une technique appelée filage pultrudé pour former les fibres à partir d'une solution aqueuse contenant du PMAA et du PDMAEA-Q.

"La nanoconfinement spontané des chaînes de PMAA (grappes liées par des liaisons hydrogène) se produit naturellement lors de l'évaporation de l'eau sous forme de nanophases séparées intégrées dans la matrice souple de PDMAEA-Q/PMAA", a déclaré Sun. "Un tel confinement hiérarchique confère aux microfibres d'hydrogel de très bonnes propriétés mécaniques. Par exemple, la fibre d'hydrogel est plutôt robuste avec un module de Young élevé de 428 MPa et une élongation de 219%."

Les microfibres créées par les chercheurs ont présenté des propriétés très prometteuses lors des évaluations initiales. Par exemple, elles ont été trouvées pour avoir une grande capacité d'amortissement et de résistance à la fissuration, ainsi qu'une grande sensibilité à l'humidité qui leur a permis de se contracter, de conserver des formes spécifiques et de se "guérir" rapidement en cas de dommage.

"En général, les propriétés mécaniques élevées exigent une forte liaison covalente tandis que la capacité de réparation rapide exige des réseaux très dynamiques, qui sont intrinsèquement contradictoires", a déclaré Sun. "Nous avons résolu ce problème en employant la structure nano-confinée semblable à celle de la soie d'araignée. Importamment, cette structure hiérarchique se forme spontanément lors de l'évaporation de l'eau, évitant les étapes fastidieuses et coûteuses de traitement ultérieur."

Le récent travail de cette équipe de chercheurs pourrait bientôt inspirer la production d'autres matériaux fibreux hautement performants basés sur des structures nano-confinées et des processus de filage similaires. De plus, les microfibres d'hydrogel inspirées de la soie d'araignée qu'ils ont créées pourraient bientôt être appliquées et évaluées dans des environnements réels, par exemple en tant que fibres actionneuses de membres prothétiques ou de dispositifs portables.

"Nous avons montré que les fibres d'hydrogel à structure nano-confinée peuvent présenter de très bonnes propriétés, mais la résistance des fibres n'est pas encore comparable à celle de la vraie soie d'araignée", a ajouté Sun. "À l'avenir, nous essayerons d'introduire des nanocristaux encore plus forts comme confinement nano pour améliorer encore les propriétés mécaniques des fibres d'hydrogel."

More information: Yingkun Shi et al, Aqueous spinning of robust, self-healable, and crack-resistant hydrogel microfibers enabled by hydrogen bond nanoconfinement, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37036-4

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