Les chercheurs de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de l’université de Harvard ont créé un nouveau matériau à partir de la kératine qui peut être imprimé en 3D en formes complexes et préprogrammé avec une mémoire de forme réversible.

Avec des applications potentielles dans la bio-ingénierie et les textiles intelligents, ce nouveau développement est idéal pour l’ingénierie de dispositifs à mémoire de forme résistants et rigides déclenchés par l’eau, avec une résistance à la traction et des transformations géométriques complexes.

La nouvelle étude est la dernière en date des chercheurs de SEAS et propose une conception bioinspirée pour la fabrication d’un matériau à mémoire de forme biocompatible et hiérarchiquement structuré, imprimé en 3D à partir de déchets de kératine. Publié dans la revue Nature Materials, le rapport, intitulé « A bioinspired and hierarchically structured shape-memory material », confirme la capacité de l’objet imprimé en 3D à retrouver sa forme originale.

En outre, la transformabilité du nouveau matériau grâce à des plateformes de fabrication additive permet la production d’architectures complexes avec des caractéristiques structurelles de l’ordre du micromètre, ce qui rend le matériau adapté à une vaste gamme d’applications de bio-ingénierie.

« Avec ce projet, nous avons montré que non seulement nous pouvons recycler la laine, mais aussi que nous pouvons construire à partir de la laine recyclée des choses qui n’avaient jamais été imaginées auparavant », a déclaré Kevin Kit Parker, professeur de bio-ingénierie et de physique appliquée de la famille Tarr à SEAS et auteur principal de l’article. « Les implications pour la durabilité des ressources naturelles sont claires. Avec la protéine de kératine recyclée, nous pouvons faire autant, voire plus, que ce qui a été fait en tondant des animaux jusqu’à présent et, ce faisant, réduire l’impact environnemental de l’industrie du textile et de la mode ».

La kératine est un polymère bioactif polyvalent abondamment distribué dans la nature et s’est révélée très intéressante pour de nombreuses applications avancées, allant de l’agriculture au génie biomédical. C’est le principal composant de l’épiderme que l’on trouve dans les cheveux, les ongles, les plumes, la laine, les sabots, les écailles et la corne des vertébrés supérieurs tels que les mammifères, les oiseaux et les reptiles. C’est également un constituant majeur des tissus épithéliaux humains.

La clé des capacités inhérentes de la kératine à changer de forme est sa structure hiérarchique, a déclaré Luca Cera, chercheur postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article. Dans l’étude, une seule chaîne de kératine est disposée en une structure à ressort connue sous le nom d’hélice alpha. Deux de ces chaînes s’enroulent ensemble pour former une structure connue sous le nom d’enroulement en spirale. Beaucoup de ces enroulements sont assemblés en protofilaments et éventuellement en grosses fibres. De plus, Luca Cera a suggéré que l’organisation de l’hélice alpha et les liaisons chimiques connectives donnent au matériau à la fois de la force et une mémoire de forme.

Selon SEAS, lorsqu’une fibre est étirée ou exposée à un stimulus particulier, les structures de type ressort se déroulent et les liaisons se réalignent pour former des feuilles bêta stables. La fibre reste dans cette position jusqu’à ce qu’elle soit déclenchée pour reprendre sa forme initiale. Pour démontrer ce processus, les chercheurs ont utilisé la kératine comme encre pour imprimer en 3D des feuilles de formes variées, en programmant la forme permanente du matériau – la forme à laquelle il reviendra toujours lorsqu’il est déclenché – à l’aide d’une solution de peroxyde d’hydrogène et de phosphate monosodique. Une fois la mémoire réglée, la feuille pouvait être reprogrammée et moulée dans de nouvelles formes.

Procédé d’impression 3D utilisant la kératine extraite comme encre pour créer des architectures de kératine telles que l’étoile plate, l’anneau et la bande plate. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l’université de Harvard)

Les objets imprimés en 3D ont des propriétés de mémoire de forme sensibles à l’humidité. Dans le cadre de l’étude et pour illustrer l’efficacité du mécanisme de mémoire de forme dans le fonctionnement de transformations géométriques plutôt sophistiquées, les chercheurs ont plié une feuille de kératine en une étoile d’origami complexe comme forme permanente. L’étude a suggéré que, une fois hydraté, le modèle d’origami imprimé en 3D était malléable et pouvait être déplié et remodelé arbitrairement en un tube roulé. Une fois séchée, la feuille carrée perdait sa malléabilité et était bloquée dans sa nouvelle forme temporaire. Afin d’inverser le processus, les chercheurs ont simplement remis le tube dans l’eau pour retrouver la forme originale de l’origami.

Dans l’étude, les chercheurs ont d’abord extrait la kératine des restes de laine Angora utilisée dans la fabrication des textiles. Ensuite, ils ont utilisé la plateforme BIO X de Cellink pour imprimer le matériau. Pour aider à visualiser la structure de l’objet pendant l’impression, les chercheurs ont ajouté de la Rhodamine B (un composé chimique et un colorant fluorescent) à la dope de kératine comme traceur de couleur magenta. Après l’impression 3D, un modèle d’origami en forme d’étoile a été fabriqué en pliant manuellement la feuille carrée imprimée en 3D et en fixant de façon permanente sa nouvelle configuration dans une solution à base de peroxyde d’hydrogène.

Ce processus de fabrication en deux étapes a permis aux chercheurs d’adapter des géométries de base imprimées en 3D pour obtenir des architectures permanentes d’un degré de complexité plus élevé.

Processus d’impression post-3D pour adapter la forme des structures de base imprimées en 3D en un modèle d’origami en forme d’étoile à partir d’un carré plat. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l’Université de Harvard)

Sur la base de cette nouvelle étude, les scientifiques ont pu déterminer que la combinaison unique de hautes performances mécaniques et de l’effet de mémoire de forme fait que le matériau conçu convient à la conception d’actionneurs qui pourraient être utilisés dans l’industrie textile intelligente. La biocompatibilité et l’affinité corporelle du matériau peuvent être exploitées pour remplacer les polymères à base d’huile utilisés pour la conception de vêtements sensibles aux contraintes et adaptables au corps.

Ces dernières années, plusieurs entreprises ont tenté d’introduire la technologie dans les textiles d’habillement en créant des vêtements intelligents dans le cadre de nouveaux modèles commerciaux potentiels pour la prochaine décennie. Par exemple, Under Armour a mis au point une gamme de vêtements qui absorbent la chaleur du corps humain et la réfléchissent sur la peau du porteur sous forme de lumière infrarouge lointaine, une énergie sûre qui, dit-on, favorise une meilleure récupération musculaire et améliore la relaxation ; tandis que les chercheurs de Georgia Tech ont créé des fils qui captent l’énergie et peuvent être tissés en textiles lavables.

« Que vous utilisiez des fibres de ce type pour fabriquer des soutiens-gorges dont la taille et la forme des bonnets peuvent être personnalisés chaque jour, ou que vous essayiez de fabriquer des textiles d’actionnement pour la thérapeutique médicale, les possibilités des travaux de Luca sont vastes et passionnantes », a déclaré Kevin Parker. « Nous continuons à réimaginer les textiles en utilisant des molécules biologiques comme substrats d’ingénierie comme jamais auparavant ».

L’effet de mémoire de forme déclenché par l’eau dans les architectures 3D, qui est illustré par un modèle d’origami en forme d’étoile. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l’Université de Harvard)

La recherche pourrait également contribuer à l’effort plus large de réduction des déchets dans l’industrie de la mode – l’un des plus grands pollueurs de la planète – qui a déjà des marques comme Stella McCarthy et même le géant de la mode Zara qui réimaginent la façon dont l’industrie utilise les matériaux, y compris la laine, en vue d’un mouvement de mode plus durable. Par exemple, les déchets de kératine sont considérés comme un polluant environnemental, car ils sont généralement déversés, enterrés ou incinérés après avoir été jetés par les élevages de volaille, les abattoirs et les industries du cuir. C’est pourquoi les nouveaux matériaux qui utilisent les déchets de kératine pourraient offrir une solution durable à une Terre dévastée par la contamination physique et biologique.

Les progrès des nouveaux matériaux pour l’industrie de l’impression 3D ont augmenté au cours des cinq dernières années, en particulier avec l’augmentation de la demande de dispositifs à mémoire de forme dans les domaines du génie civil, de l’aérospatiale, des technologies portables et des dispositifs médicaux. La biocompatibilité et la transformabilité de ce nouveau matériau particulier grâce à la technologie d’impression 3D sont très prometteuses, selon les auteurs, ce qui rend le matériau idéal pour la production d’architectures complexes avec des caractéristiques structurelles micrométriques qui pourraient très bien fonctionner dans des dispositifs de bio-ingénierie.

https://3dprint.com/272718/harvard-team-develops-shape-memory-material-for-smart-3d-printed-fabrics/