Javier G. Fernández (à gauche) et Akshayakumar Kompa (à droite) tiennent un échantillon du matériau dans les laboratoires de l’IBEC. Crédit : Institut de bio-ingénierie de Catalogne (IBEC)
Une nouvelle étude menée par l’Institut de bio-ingénierie de Catalogne (IBEC) a révélé le premier biomatériau non seulement imperméable, mais qui, de surcroît, se renforce au contact de l’eau. Ce matériau est obtenu par l’incorporation de nickel dans la structure du chitosane, un polymère chitineux issu du recyclage de carapaces de crevettes.
Le développement de ce nouveau biomatériau marque une rupture avec la conception, héritée de l’ère du plastique, de matériaux qui doivent s’isoler de leur environnement pour être performants. Il démontre au contraire comment des matériaux durables peuvent interagir avec leur environnement et en tirer parti, en utilisant l’eau environnante pour atteindre des performances mécaniques supérieures à celles des plastiques classiques.
Grâce à leur durabilité et à leur résistance à l’eau, les plastiques sont devenus partie intégrante de la société moderne. Cependant, ce sont précisément ces propriétés qui en font des perturbateurs persistants des cycles écologiques. De ce fait, les plastiques non recyclés s’accumulent dans les écosystèmes et deviennent un composant de plus en plus omniprésent des chaînes alimentaires mondiales, suscitant des inquiétudes croissantes quant à leurs impacts potentiels sur la santé humaine.
Pour relever ce défi, l’utilisation de biomatériaux en remplacement des plastiques conventionnels est explorée depuis longtemps. Cependant, leur adoption à grande échelle est freinée par un inconvénient majeur : la plupart des matériaux biologiques s’affaiblissent au contact de l’eau. Traditionnellement, cette vulnérabilité a contraint les ingénieurs à recourir à des modifications chimiques ou à des revêtements protecteurs, compromettant ainsi les avantages en matière de durabilité des solutions à base de biomatériaux.
Une étude récente menée par l’Institut de bio-ingénierie de Catalogne (IBEC), en collaboration avec l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), a bouleversé ce paradigme. S’inspirant de la cuticule des arthropodes, les chercheurs ont adapté le chitosane – la deuxième molécule organique la plus abondante sur Terre après la cellulose – pour créer un matériau bio-intégré qui résiste à l’hydratation et dont la résistance, une fois mouillé, dépasse largement celle des plastiques classiques.
La méthode, publiée dans Nature Communications , démontre le potentiel d’un changement de paradigme dans la fabrication, avec une production zéro déchet de biens de consommation et d’objets de grande taille qui pourrait répondre à la demande mondiale de plastique.
Point essentiel, le procédé ne modifie pas la nature biologique du chitosane.
« Aux yeux de la nature, le matériau est encore biologiquement pur ; il s’agit essentiellement de la même molécule que celle présente dans les carapaces d’insectes ou les champignons », explique Javier G. Fernández, professeur de recherche ICREA à l’IBEC, chercheur principal du groupe Matériaux et Ingénierie Biointégrés et responsable de l’étude. Cette pureté permet une réintégration harmonieuse dans les cycles écologiques naturels.
Un changement de paradigme inspiré par la nature
Selon Fernández, la plupart de nos matériaux actuels, des plastiques aux biopolymères de synthèse, sont conçus pour résister aux conditions environnementales.
« Pendant plus d’un siècle, nous avons supposé que pour prospérer dans la nature, les matériaux devaient devenir inertes », explique-t-il. « Cette recherche démontre le contraire : les matériaux peuvent se développer en interagissant avec leur environnement plutôt qu’en s’en isolant. »
Cette étude a été inspirée par une observation fortuite : lorsqu’on retire le zinc des crochets du ver des sables Nereis virens, ces derniers deviennent sensibles à l’hydratation et se ramollissent au contact de l’eau. Cette découverte suggère que les métaux pourraient jouer un rôle clé dans l’interaction des matériaux naturels avec l’eau.
Si l’ on sait que les métaux renforcent les structures biologiques, les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’ils pourraient également contrôler l’hydratation des matériaux à base de chitine, un polymère naturel présent dans les carapaces de crustacés. Pour tester cette théorie, l’équipe s’est concentrée sur le nickel, un oligo-élément naturel qui interagit facilement avec la chitine et se dissout dans l’eau.
L’équipe a incorporé du nickel dans du chitosane (un matériau dérivé de la chitine obtenue à partir de carapaces de crevettes recyclées) et l’a transformé en films minces. Les chercheurs indiquent que le matériau devient plus résistant au contact de l’eau, sa résistance augmentant jusqu’à 50 % après immersion.
Dans ce nouveau matériau, l’eau devient un composant structurel actif. Un réseau dynamique de liaisons faibles et réversibles se rompt et se reforme continuellement grâce à la mobilité des ions nickel et des molécules d’eau environnantes. Cette reconfiguration microscopique constante permet au matériau d’absorber les contraintes et de se réorganiser, à l’image des structures biologiques naturelles.
Fernández résume cela comme « un matériau où le fait d’être « mou » à l’échelle moléculaire le rend en réalité plus résistant ».
Production zéro déchet et évolutivité mondiale
L’étude démontre également un procédé de fabrication zéro déchet. Lors de l’immersion initiale du matériau dans l’eau, la majeure partie du nickel ne participant pas à la liaison structurelle est libérée. Au lieu de jeter ce mélange, l’équipe a conçu un système en boucle permettant de le réutiliser pour la production du lot suivant, atteignant ainsi une efficacité de 100 % dans l’utilisation du nickel.
Cette approche permet la récupération et la réutilisation intégrales du nickel, réduisant considérablement l’impact environnemental et les coûts.
Le passage à une production à plus grande échelle est tout aussi prometteur. Les auteurs démontrent que les polymères chitineux sont produits à grande échelle dans la nature, ce qui en fait des candidats idéaux pour une fabrication durable future.
« Chaque année, le monde produit environ cent milliards de tonnes de chitine, soit l’équivalent de trois siècles de production de plastique », déclare Akshayakumar Kompa, chercheur postdoctoral au sein du groupe de Fernandez et premier auteur de l’étude.
De plus, le chitosane peut être produit localement plutôt que de dépendre d’une source mondiale unique. Si les carapaces de crevettes demeurent la principale source industrielle, il peut également être obtenu par bioconversion de déchets organiques , allant des résidus alimentaires urbains aux sous-produits fongiques.
« L’essentiel est de s’adapter aux ressources locales », explique Kompa. « Notre objectif est d’intégrer la production de ces matériaux à l’écosystème local en utilisant la forme de chitosane disponible à proximité. »
Une alternative prometteuse au plastique
Les premières applications devraient apparaître dans l’agriculture, les engins de pêche et l’emballage, ainsi que dans d’autres usages liés à l’eau, où il existe un besoin urgent de matériaux biodégradables et résistants à l’eau.
Bien que l’équipe ait privilégié l’extensibilité industrielle et la réduction des coûts, en se concentrant initialement sur les applications agricoles, le nickel et le chitosane sont tous deux approuvés individuellement par la FDA pour certains usages médicaux. Par conséquent, ces découvertes pourraient également ouvrir la voie à des applications dans le domaine médical, notamment pour la fabrication de revêtements imperméables destinés aux biomatériaux.
De plus, la capacité du matériau à former des contenants étanches, démontrée dans l’étude à l’aide de tasses et de grandes feuilles, souligne son potentiel pour remplacer certains plastiques à usage unique.
Les auteurs soulignent que le nickel n’est probablement pas la seule molécule capable de produire ce phénomène. Maintenant que le principe est compris, d’autres combinaisons pourraient élargir les possibilités de renforcement des biomatériaux par l’eau.
« Il s’agit de la première étude de ce type. Maintenant que nous savons que cet effet existe, nous et d’autres pouvons rechercher de nouveaux matériaux et de nouvelles façons de l’obtenir », note Fernández.
Cette découverte marque un tournant dans notre approche, rompant avec l’ère du plastique. Plutôt que de contraindre les molécules biologiques à se comporter comme des substances synthétiques, l’équipe de l’IBEC privilégie la logique des systèmes naturels : structures dynamiques, production régionale, intégration écologique et zéro déchet.
Pour Kompa et Fernández, le message est clair : pour construire un avenir durable, nous devons concevoir des matériaux qui travaillent avec l’environnement, et non pas qui s’en isolent.
