Des chercheurs de l’EPFL ont publié une méthode pour imprimer en 3D une encre contenant des bactéries productrices de carbonate de calcium. Le biocomposite minéralisé imprimé en 3D est d’une résistance, d’une légèreté et d’un respect de l’environnement sans précédent, avec une gamme d’applications allant de l’art à la biomédecine.
La nature a un don extraordinaire pour produire des matériaux composites à la fois légers et résistants, poreux et rigides, comme les coquilles de mollusques ou les os. Mais produire de tels matériaux dans un laboratoire ou une usine – en particulier en utilisant des matériaux et des procédés respectueux de l’environnement – est extrêmement difficile.
Les chercheurs du Laboratoire des matériaux souples de l’École d’ingénierie se sont tournés vers la nature pour trouver une solution. Ils ont été les pionniers d’une encre imprimable en 3D qui contient Sporosarcina pasteurii : un 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 chercheurs peuvent utiliser leur encre – baptisée BactoInk – pour imprimer en 3D pratiquement n’importe quelle forme, qui se minéralisera ensuite progressivement en quelques jours.
L’impression 3D gagne en 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. Par exemple, ils doivent se comporter comme un solide lorsqu’ils sont au repos, tout en restant extrudables à travers une buse d’impression 3D – un peu comme du ketchup. »
Esther Amstad, chef de laboratoire
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 résultantes ont tendance à être molles ou à rétrécir lors du séchage, entraînant des fissures et une perte de contrôle sur la forme du produit final.
« Nous avons donc trouvé une astuce simple : au lieu d’imprimer des minéraux, nous avons imprimé un échafaudage polymère à l’aide de notre BactoInk, qui est ensuite minéralisé dans une seconde étape distincte. Après environ quatre jours, le processus de minéralisation déclenché par les bactéries dans le échafaudage conduit à un produit final avec une teneur en minéraux de plus de 90 %. »
Le résultat est un biocomposite solide et résistant, 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 l’éthanol à la fin du processus de minéralisation.
La méthode, qui décrit la première encre d’impression 3D qui utilise des bactéries pour induire la minéralisation, a récemment été publiée dans la revue Les matériaux aujourd’hui.
Réparer l’art, les récifs coralliens ou les os
L’approche du Soft Materials Lab a plusieurs applications potentielles dans un large éventail de domaines, de l’art et de l’écologie à la biomédecine. Amstad estime que la restauration des œuvres d’art pourrait être grandement facilitée par BactoInk, qui peut également être injecté directement dans un moule ou un site cible – une fissure dans un vase ou une puce dans une statue, par exemple. Les propriétés mécaniques de l’encre lui confèrent la solidité et la résistance au rétrécissement nécessaires pour réparer une œuvre d’art, ainsi que pour prévenir d’autres dommages pendant le processus de restauration.
L’utilisation par la méthode de matériaux uniquement 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 miment celles de l’os pourrait potentiellement le rendre intéressant pour de futures applications biomédicales.
« La polyvalence du traitement BactoInk, combinée au faible impact environnemental et aux excellentes propriétés mécaniques des matériaux minéralisés, ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour la fabrication de composites légers et porteurs qui s’apparentent davantage aux matériaux naturels qu’aux composites synthétiques d’aujourd’hui », Amstad résume.
