Un réseau de milliards de minuscules gouttelettes d’eau peut former en quelques minutes de grands matériaux semblables à des tissus, créant ainsi de nouvelles opportunités dans divers domaines.
Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin ont mis au point un nouveau matériau imprimable en 3D qui imite la capacité des tissus humains à trier et filtrer les molécules, laissant passer certaines tout en en bloquant d’autres. Cette polyvalence lui confère des applications potentielles dans divers domaines tels que la médecine, le traitement de l’eau et la robotique.
Les méthodes actuelles de fabrication de matériaux de type tissulaire à petite échelle ne permettent pas d’atteindre des dimensions suffisantes pour des applications concrètes, expliquent les chercheurs. L’équipe a surmonté ces problèmes de rapidité et d’extensibilité en agglomérant des milliards de minuscules gouttelettes d’eau grâce à de simples techniques de mélange et de centrifugation, formant ainsi de grands matériaux de type tissulaire en quelques minutes seulement. Chaque gouttelette est séparée par une fine membrane, permettant à ces membranes de s’associer, à l’instar de l’organisation cellulaire dans les tissus humains.
« Les tissus peuvent séparer et transporter les ions et les molécules ; c’est ainsi que fonctionnent nos reins ou nos intestins, ne prenant que ce dont ils ont besoin et laissant le reste derrière eux », a déclaré Manish Kumar, professeur au département de génie civil, architectural et environnemental Fariborz Maseeh et au département de génie chimique McKetta de l’école d’ingénierie Cockrell.
Ces travaux ont récemment été publiés dans la revue Nature Materials .
Ce matériau flexible peut être personnalisé pour imiter différents types de tissus. Grâce à sa structure qui imite fidèlement les tissus naturels et à sa possibilité d’être imprimé en 3D à partir de matériaux biocompatibles, il peut servir de support à la croissance de nouveaux tissus ou organes. Sa flexibilité et sa réactivité en font une base idéale pour les robots souples – des machines qui se déplacent et s’adaptent comme des êtres vivants – utilisables en chirurgie, en recherche et sauvetage, ou dans des environnements dangereux inaccessibles aux machines traditionnelles.
Ce tissu imprimé en 3D imite la capacité des tissus humains à trier et filtrer, laissant passer certaines molécules tout en en bloquant d’autres. Crédit : Université du Texas à Austin
En ajoutant certaines protéines, les chercheurs ont conféré au matériau la capacité de conduire les courants ioniques, à l’instar du tissu nerveux. Cette découverte est prometteuse pour la conception de systèmes informatiques inspirés du cerveau humain.
Dans un autre cas, des chercheurs ont ajouté une protéine permettant au tissu de distinguer l’ammonium des autres ions présents dans les eaux usées. Cela concerne notamment les eaux issues de l’extraction pétrolière et gazière ainsi que les eaux usées municipales, un domaine sur lequel Kumar s’est concentré ces dernières années. La capacité à filtrer les ions indésirables à l’aide de membranes représente une approche prometteuse pour le recyclage et la réutilisation des ions minéraux et des nutriments essentiels contenus dans les eaux usées.
Ces nouvelles recherches s’inscrivent dans un effort mené depuis plus d’une décennie. Mais c’est l’une de ses étudiantes, Aida Fica, qui a su les coordonner.
Après des années passées à se heurter aux mêmes difficultés liées à la lenteur de la formation et à l’instabilité du procédé, Fica a entendu une information lors d’une conférence qui lui a inspiré une nouvelle idée. Avec son équipe, elle a mis au point une technologie d’émulsification, consistant à mélanger deux huiles de solubilités différentes pour former des gouttelettes, puis à les agglomérer par centrifugation.
« Cette technologie offre désormais un procédé simple et adaptable aux applications infinies, applicable dans n’importe quel laboratoire puisqu’elle ne nécessite qu’un équipement de base », a déclaré Fica. « Nous encourageons les chercheurs intéressés à l’expérimenter et nous apporterons notre soutien à toute personne souhaitant travailler dans ce domaine, notamment par des visites et des échanges », a ajouté Kumar.
Les chercheurs travaillent actuellement à adapter cette technologie à l’extraction du lithium et d’autres terres rares dans le cadre d’un projet mené en collaboration avec l’Agence pour les projets de recherche avancée en énergie (ARPA-E) du département de l’Énergie des États-Unis. Fica et Kumar ont breveté cette technologie ainsi que plusieurs applications en aval par l’intermédiaire du bureau « Discovery to Impact» de l’Université du Texas .
