Des bactéries ont été génétiquement modifiées pour produire des cultures de cellules fluorescentes appelées sphéroïdes, qui agissent comme des blocs de construction autoréparables.
Et si votre maison pouvait réagir à la rupture d’une de ses poutres structurelles en se réparant elle-même, ou si les ponts pouvaient colmater leurs propres fissures dès qu’elles apparaissent ? Aussi fantaisiste que cela puisse paraître, il existe un champ de recherche croissant consacré aux « matériaux vivants » qui pourraient un jour permettre une telle fonctionnalité. Un nouvel exemple fourni par l’Imperial College de Londres applique ce type de réflexion à de minuscules blocs de construction en 3D capables de réparer leurs propres dommages.
Le béton est l’un des domaines de la recherche sur les matériaux vivants où l’on observe une certaine activité. Des études ont démontré comment des bactéries peuvent être intégrées dans le matériau et réagir aux dégâts causés par l’eau en germant et en produisant du calcaire ou des colles spéciales qui comblent les fissures. Une autre initiative a même vu la création d’un « appartement biologique », où des échantillons de matériaux vivants seront échangés pour voir comment ils se comportent.
« Le défi consiste à imiter et à combiner les caractéristiques distinctes que la biologie a à offrir », explique le Dr Patrick Rose, de l’US Office of Naval Research Global London, qui a contribué au financement de la nouvelle étude. « Nous n’essayons pas seulement d’imiter ces systèmes, mais de faire en sorte que la biologie possède des caractéristiques supplémentaires qui répondent mieux aux besoins que nous recherchons sans intervention directe. En définitive, nous voulons augmenter la durée de vie d’un produit, prévenir les défaillances des systèmes avant que le problème ne soit visible à l’œil nu et faire en sorte que le matériau pense par lui-même. »
Les auteurs de la nouvelle étude ont entrepris de mettre au point des matériaux vivants artificiels (ELM) capables de réparer leurs propres dommages grâce à un système de détection et de réponse inspiré de la biologie. Ils s’appuieraient ainsi sur les travaux antérieurs du groupe sur des matériaux similaires capables de détecter les changements autour d’eux, en développant des versions qui pourraient jouer un rôle plus actif et servir de blocs de construction polyvalents à des fins diverses.
« Par le passé, nous avons créé des matériaux vivants dotés de capteurs intégrés capables de détecter les signaux et les changements environnementaux », explique le professeur Tom Ellis, auteur de l’étude. « Aujourd’hui, nous avons créé des matériaux vivants capables de détecter les dommages et d’y répondre en se guérissant eux-mêmes. »
Tout a commencé avec des bactéries appelées Komagataeibacter rhaeticus, qui ont été génétiquement modifiées pour produire des cultures cellulaires fluorescentes en forme de sphère, judicieusement appelées sphéroïdes. Ces sphéroïdes 3D peuvent ensuite être arrangés en formes et en motifs, comme des blocs de construction, et l’équipe a mis à l’épreuve leurs capacités d’autoréparation dans un matériau structurel naturel appelé cellulose bactérienne.
La cellulose bactérienne est un matériau ressemblant à un échafaudage qui est synthétisé par certaines bactéries et qui présente un large potentiel dans un certain nombre d’industries, notamment dans la fabrication de papier très résistant, de filtres pour haut-parleurs et de pansements pour les soins médicaux. Les scientifiques ont percé des trous dans une épaisse couche de cellulose bactérienne, puis ont planté leurs sphéroïdes dans les vides. Après trois jours d’incubation, les sphéroïdes ont réparé les dégâts et rétabli la consistance et l’apparence du matériau d’origine.
« En plaçant les sphéroïdes dans la zone endommagée et en incubant les cultures, les blocs ont été capables à la fois de détecter les dommages et de faire repousser le matériau pour le réparer », souligne Tom Ellis.
Des diagrammes illustrent l’efficacité d’un nouveau bloc de construction auto-réparateur à base de bactéries.
Les scientifiques imaginent un jour intégrer les sphéroïdes dans des matériaux de construction pour leur donner la capacité de se réparer eux-mêmes. Cela pourrait conduire à des pare-brise qui réparent leurs propres fissures, à des avions qui réparent leur propre fuselage ou à des nids de poule qui se referment d’eux-mêmes sur la route. Un tel avenir est encore loin, mais les scientifiques y travaillent en fusionnant leurs sphéroïdes avec des matériaux comme les éponges, le bois et le coton. Les applications à plus court terme de cette technologie se situent toutefois dans le domaine médical.
« Notre découverte ouvre une nouvelle approche dans laquelle les matériaux cultivés peuvent être utilisés comme modules avec différentes fonctions, comme dans la construction. Nous travaillons actuellement à l’hébergement d’autres organismes vivants dans les sphéroïdes, afin qu’ils puissent cohabiter avec les bactéries productrices de cellulose », explique le premier auteur, le Dr Joaquin Caro-Astorga. « Les matériaux vivants possibles qui peuvent en découler sont divers : par exemple, avec des cellules de levure qui sécrètent des protéines pertinentes sur le plan médical, nous pourrions générer des films de cicatrisation où des hormones et des enzymes sont produites par un pansement pour améliorer la réparation de la peau. »
https://www.nature.com/articles/s41598-019-51133-9
https://www.imperial.ac.uk/news/228633/self-healing-living-materials-used-3d-building/
