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Produire des composites d'une encre d'impression 3D bactérienne
Des chercheurs de l'EPFL ont publié une méthode pour imprimer en 3D une encre contenant des bactéries qui produisent du carbonate de calcium. Le biocomposite minéralisé imprimé en 3D est d'une solidité, d'une légèreté et d'un respect de l'environnement sans précédent, avec un éventail d'applications allant de l'art à la biomédecine.
La nature a une capacité extraordinaire pour produire des matériaux composites qui sont à la fois légers et solides, poreux et rigides, comme les coquilles de mollusques ou les os. Mais produire de tels matériaux en laboratoire ou en usine – notamment en utilisant des matériaux et des procédés respectueux de l'environnement – est un véritable défi.
Des scientifiques du Laboratoire de la matière molle de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur se sont tournés vers la nature pour trouver une solution. Ils ont mis au point une encre imprimable en 3D qui contient de la Sporosarcina pasteurii : une bactérie qui, lorsqu'elle est exposée à une solution contenant de l'urée, déclenche un processus de minéralisation qui produit du carbonate de calcium (CaCO3). Le résultat est que les scientifiques peuvent utiliser leur encre - surnommée BactoInk - pour imprimer en 3D pratiquement n'importe quelle forme, qui se minéralisera ensuite progressivement en quelques jours.
« L'impression 3D prend de plus en plus d'importance en général, mais le nombre de matériaux pouvant être imprimés en 3D est limité pour la simple raison que les encres doivent remplir certaines conditions d'écoulement » explique Esther Amstad, directrice du laboratoire. « Par exemple, elles doivent se comporter comme un solide au repos, tout en étant extrudables par une buse d'impression 3D - un peu comme le ketchup. »
Esther Amstad explique que des encres d'impression 3D contenant de petites particules minérales ont déjà été utilisées pour répondre à certains de ces critères d'écoulement, mais que les structures obtenues ont tendance à être molles, ou à se rétracter au séchage, ce qui entraîne des fissures et une perte de contrôle de la forme du produit final.
« Nous avons donc trouvé une astuce simple : au lieu d'imprimer des minéraux, nous avons imprimé un échafaudage polymère en utilisant notre BactoInk, qui est ensuite minéralisé dans une deuxième étape distincte. Après environ quatre jours, le processus de minéralisation déclenché par les bactéries dans l'échafaudage conduit à un produit final avec une teneur en minéraux de plus de 90%. »
Le résultat est un biocomposite solide et résilient, qui peut être produit à l'aide d'une imprimante 3D standard et de matériaux naturels, et sans les températures extrêmes souvent requises pour la fabrication de céramiques. Les produits finaux ne contiennent plus de bactéries vivantes, car ils sont immergés dans de l'éthanol à la fin du processus de minéralisation. La méthode, qui décrit la première encre d'impression 3D utilisant des bactéries pour induire la minéralisation, a récemment été publiée dans la revue Materials Today.
Réparer l'art, les récifs coralliens ou les os
L'approche du Laboratoire de la matière molle a plusieurs applications potentielles dans un large éventail de domaines, de l'art à la biomédecine en passant par l'écologie. Esther Amstad pense que la restauration des œuvres d'art pourrait être facilitée par BactoInk, qui peut aussi être directement injectée dans un moule ou un site cible – une fissure dans un vase ou un éclat dans une statue, par exemple. Les propriétés mécaniques de l'encre lui confèrent la solidité et la résistance au retrait nécessaires pour réparer une œuvre d'art, ainsi que pour prévenir d'autres dommages pendant le processus de restauration.
Le fait que la méthode n'utilise que des matériaux respectueux de l'environnement et sa capacité à produire un biocomposite minéralisé en font également un candidat prometteur pour la construction de coraux artificiels, qui peuvent être utilisés pour aider à régénérer les récifs marins endommagés. Enfin, le fait que la structure et les propriétés mécaniques du biocomposite imitent celles de l'os pourrait potentiellement le rendre intéressant pour de futures applications biomédicales.
« La polyvalence du procédé BactoInk, combinée au faible impact environnemental et aux excellentes propriétés mécaniques des matériaux minéralisés, ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour fabriquer des composites légers et porteurs qui s'apparentent davantage aux matériaux naturels qu'aux composites synthétiques actuels » résume Esther Amstad.
Référence : Matteo Hirsch, Lorenzo Lucherini, Ran Zhao, Alexandra Clarà Saracho, Esther Amstad, 3D printing of living structural biocomposites, Materials Today, 2023, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.02.001.