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Une méthode pour faire adhérer des hydrogels entre eux

Aurélie Dureuil

Les équipes de recherche franciliennes ont utilisé des nanoparticules pour coller des gels et tissus biologiques, jusqu'à maintenant difficilement compatibles. Des recherches qui ouvrent des applications dans de nombreux domaines.

Utiliser des particules solides pour coller des gels par définition essentiellement composés de solvant. C'est ce principe qu'ont démontré des chercheurs des laboratoires Matière molle et chimie (unité mixte CNRS/ESPCI ParisTech) et Physico-chimie des polymères et milieux dispersés (unité mixte CNRS/UPMC/ESPCI ParisTech). « Nous sommes partis du constat que tous les adhésifs sont des polymères car les polymères couvrent bien la rugosité des surfaces, dissipent beaucoup d'énergie et sont capables d'éviter ou ralentir la fracture de la jonction. Nous avons démontré qu'il est possible de coller avec des nanoparticules solides », détaille Ludwik Leibler, directeur de recherche au sein du laboratoire Matière molle et chimie. Jusqu'à présent, faire adhérer des gels, des matières composées à 90 voire 97 % de solvant, n'a pu être réalisé qu'en utilisant des réactions chimiques, des élévations de la température, des changements de pH, des irradiation avec de l'ultra-violet ou du courant électrique. La méthode mise au point par les chercheurs français s'affranchit de ces éléments extérieurs. « Cette méthode est réalisée sans ajout de polymères et n'implique pas de réaction chimique », souligne le laboratoire.

Les chercheurs ont étudié les hydrogels, des réseaux moléculaires des polymères gorgés par l'eau. Les nanoparticules présentes dans la solution se lient au réseau moléculaire, au cours d'un phénomène d'adsorption. Le réseau moléculaire lie en parallèle les particules entre elles. Des connexions sont ainsi établies par les nanoparticules entre les réseaux moléculaires des deux gels. « Ce sont les nanoparticules qui connectent les réseaux et les réseaux qui connectent les nanoparticules », souligne Ludwik Leibler. Les chercheurs ont démontré la faisabilité de ce phénomène qui se fait dans un temps très court. La première étape consiste à étaler les nanoparticules sur le premier gel. Puis, à presser le second gel pendant environ 30 secondes. « La méthode repose sur la faculté des nanoparticules à être adsorbées sur le réseau des gels polymères et à agir comme connecteurs entre les chaînes de polymères ainsi que sur la capacité des chaînes de polymères à réorganiser et dissiper l'énergie lors de l'adsorption des nanoparticules », écrivent les chercheurs dans la revue Nature. L'article publié dans la version en ligne en décembre dernier détaille la méthode mise au point, avec l'exemple de l'adhésion de gels de poly(diméthylacrylamide) (PDMA) et de gélatine. Les chercheurs ont alors utilisé des nanoparticules de silice et ont obtenu un collage avec une énergie d'adhésion de plus de 6 J/m2. « L'énergie de l'adhésion semble augmenter quand la taille des particules augmente », notent les équipes françaises. De plus, la jonction créée résiste souvent mieux à la déformation que les gels. Elle présente également une bonne résistance à l'immersion dans l'eau. Et l'adhésion est autoréparable et repositionnable. Ainsi, si deux morceaux se décollent, ils peuvent être recollés sans ajout de nanoparticules.

Les équipes se sont également intéressé à différents types de nanoparticules. « Nous avons travaillé essentiellement avec des nanoparticules de silice qui sont disponibles et utilisées dans l'industrie agroalimentaire notamment. Nous avons également démontré l'efficacité de notre méthode avec des nanotubes de carbone et des nanocristaux de cellulose. Notre méthode fonctionne en adaptant si nécessaire la chimie de surface des particules à l'application donnée », détaille Ludwik Leibler. Car pour cette découverte, le directeur de recherche envisage un grand potentiel d'applications industrielles. Domaine de l'agroalimentaire, de la cosmétique et de la fabrication de prothèses et de dispositifs médicaux sont ainsi cités. « Le domaine qui nous fait le plus rêver et qui paraît le plus proche est la chirurgie », s'enthousiasme le directeur de recherche qui ne cache pas sa confiance dans ce potentiel d'applications. Les chercheurs ont ainsi utilisé une solution de nanoparticules de silice pour coller avec succès deux morceaux de foie de veau. Les chercheurs travaillent donc maintenant sur des particules non toxiques et métabolisées par le corps humain pour étudier des systèmes permettant de coller des tissus. « Nous avons montré qu'il est possible de coller rapidement et simplement les tissus biologiques ex vivo. Cela ouvre des perspectives intéressantes et nous motive pour aller plus loin », conclut Ludwik Leibler.

 

Bibliographie : Nanoparticle solutions as adhesives for gels and biological tissues, Séverine Rose, Alexandre Prevoteau, Paul Elzière, Dominique Hourdet, Alba Marcellan et Ludwik Leibler, Nature, publication en ligne le 11 décembre 2013.

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