Les scientifiques produisent un nanorevêtement biodégradable aux propriétés antimicrobiennes et antireflet

Revue par Emily Henderson, B.Sc.14 octobre 2020

Des scientifiques de Russie et de Suisse ont sondé des nanostructures couvrant la cornée des yeux de petites mouches des fruits. En les enquêtant, l'équipe a appris comment produire un nanorevêtement biodégradable sûr avec des propriétés antimicrobiennes, antireflets et autonettoyantes de manière rentable et écologique.

Le revêtement de protection pourrait trouver des applications dans divers domaines de l'économie, notamment la médecine, la nanoélectronique, l'industrie automobile et l'industrie textile. L'article décrivant ces découvertes apparaît dans La nature.

Des scientifiques de l'Université fédérale d'Extrême-Orient (FEFU, Russie) se sont associés à des collègues de l'Université de Genève, de l'Université de Lausanne et de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich pour un projet de recherche interdisciplinaire au cours duquel ils ont pu reproduire artificiellement le nano-revêtement du cornées de mouches des fruits (drosophiles) naturellement conçues pour protéger les yeux des insectes des plus petites particules de poussière et couper la réflexion de la lumière.

Le métier de nanorevêtement répond aux demandes dans divers domaines de l'économie. Il peut envelopper n'importe quelle structure plate ou tridimensionnelle et, selon la tâche, lui conférer des propriétés antireflet, antibactériennes et hydrophobes, y compris autonettoyantes.

Ce dernier, par exemple, est une caractéristique très importante pour les lentilles ortho-k de nuit réutilisables coûteuses qui corrigent la vue. Des revêtements antireflets similaires sont déjà connus bien qu'ils soient créés par des méthodes plus complexes et coûteuses.

Ils sont utilisés sur les panneaux d'ordinateurs, les verres, les peintures dans les musées peuvent en être recouverts afin d'exclure la réflexion et la réfraction de la lumière.

Nous sommes en mesure de produire le nano-revêtement dans toutes les quantités requises étant donné que sa conception est plus rentable par rapport aux méthodes modernes de fabrication de structures similaires.Le travail avec des composants naturels ne nécessite aucun équipement particulier ni consommation d'énergie importante et contraintes de gravure chimique, de lithographie et impression laser. « 

Vladimir Katanaev, chef de la recherche et du laboratoire de pharmacologie des composés naturels, École de biomédecine, Université fédérale d'Extrême-Orient

«Le développement a de larges applications. Par exemple, il pourrait s'agir de la teinture structurelle des textiles qui changerait la couleur en fonction de l'angle de vue. Il est possible de créer une couche de déguisement à base de métamatériaux, une couche antibactérienne pour les implants médicaux, et un revêtement autonettoyant pour lentilles de contact et pare-brise.

Nous pensons également que si nous renforçons le revêtement nanométrique, il pourrait être utilisé comme base de prototypes de transistors miniatures flexibles conçus pour l'électronique moderne. « 

Les scientifiques ont réussi à reconstruire le revêtement cornéen de petites mouches des fruits via des méthodes de bio-ingénierie directe et inverse.

Tout d'abord, ils ont séparé la couche protectrice en ses composants constituants, qui se sont révélés être de la rétinine (protéine) et de la cire cornéenne (lipides), puis la réassemblent à température ambiante, couvrant les surfaces en verre et en plastique.

Selon Vladimir Katanaev, tous les autres types de matériaux peuvent également être recouverts d'un revêtement nanométrique. Les combinaisons avec différents types de cire et les manipulations génétiques de la protéine rétinine permettent la conception de nanorevêtements fonctionnels très divers et complexes.

Le scientifique explique que le mécanisme sous-jacent à la formation des nanostructures protectrices sur les cornées des drosophiles est un processus auto-organisé, décrit par Alan Turing en 1952 comme un mécanisme de réaction-diffusion.

Cela est cohérent avec la modélisation mathématique effectuée au cours de la recherche. Ce mécanisme est également responsable des motifs se formant, par exemple, sur la fourrure d'un zèbre ou d'un léopard. Les nanostructures qui protègent les cornées des yeux de drosophile sont le premier exemple établi de modèles de Turing à l'échelle nanométrique.

Au cours du projet de recherche, les scientifiques ont procédé à une caractérisation détaillée des propriétés de la rétinine, car cette protéine a été peu étudiée jusqu'à présent. Il s'est avéré que cette protéine initialement non structurée forme une structure globulaire lorsqu'elle interagit avec les cires cornéennes.

Ainsi, les scientifiques ont examiné en profondeur la nature biophysique de l'auto-organisation respectant le modèle de Turing, mettant en évidence un processus moléculaire important probablement au cœur de l'auto-organisation – l'initiation de la structuration des protéines.

Dans les prochaines étapes, l'équipe de recherche vise à développer un modèle de nanostructuration tridimensionnelle (avec nano-entonnoirs, nanocolonnes, nanorolls dans la couche du revêtement), également basé sur le mécanisme de Turing. Ces travaux se situeraient à la frontière même des connaissances scientifiques modernes et pourraient avoir des conséquences fondamentales et technologiques prometteuses.

Le professeur Vladimir Katanaev a commencé à étudier la structure de l'œil de la drosophile il y a environ 10 ans. Selon le scientifique, les premières données ont été obtenues presque impromptu au moyen de la microscopie à force atomique.

Au cours de la collaboration avec le laboratoire du professeur Igor Serdyuk de l'Institut de recherche sur les protéines (Académie russe des sciences), il a été découvert que la surface de la cornée des mouches n'était pas lisse mais était recouverte de magnifiques motifs d'excroissances pseudo-ordonnées à l'échelle nanométrique. .

Il s'est avéré que des nanorevêtements de ce type ont été décrits à la fin des années 1960 à la surface des yeux de papillons de nuit, des insectes plus gros auxquels ces structures assurent également une fonction antireflet, réduisant la réflexion de la lumière incidente à zéro et permettant de optimiser la perception de la lumière dans l'obscurité.