Cellulose aérée imprimée en 3D
Un grand potentiel en médecine
Ultraléger, isolant thermique et biodégradable : l'aérogel de cellulose a de multiples applications. Des chercheurs de l'Empa ont réussi à donner à ce matériau naturel des formes complexes par impression 3D, qui pourraient un jour servir d'isolation de précision en microélectronique ou d'implants médicaux personnalisés.
Les matériaux biodégradables, les encres pour l'impression 3D et les aérogels n'ont, à première vue, pas grand-chose en commun. Pourtant, tous trois sont porteurs d'avenir : les matériaux "verts" ne polluent pas l'environnement, l'imprimante 3D permet de fabriquer des structures complexes sans gaspillage de matériaux et les aérogels ultralégers sont d'excellents isolants thermiques. Des chercheurs de l'Empa sont désormais parvenus à réunir tous ces avantages dans un seul matériau. Et leur aérogel à base de cellulose, imprimable en 3D, peut même faire encore plus.
Ce matériau miracle a été créé sous la direction de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait et Shanyu Zhao du laboratoire "Building Energy Materials and Components" de l'Empa, en collaboration avec les laboratoires "Cellulose & Wood Materials" et "Advanced Analytical Technologies" ainsi que le Centre d'analyse radiologique. En 2020 déjà, Shanyu Zhao et Wim Malfait avaient développé, avec d'autres chercheurs, un procédé permettant d'imprimer des aérogels de silice. Une tâche loin d'être triviale : les aérogels de silice sont des matériaux de type mousse, à pores ouverts et fragiles. Jusqu'à présent, il n'avait guère été possible de leur donner des formes complexes. "L'étape suivante logique consistait à appliquer notre technologie d'impression à des aérogels biosourcés mécaniquement plus robustes", explique Shanyu Zhao.
Les chercheurs ont choisi comme matière première le biopolymère le plus courant sur terre : la cellulose. Différentes nanoparticules peuvent être obtenues à partir de ce matériau végétal par des étapes de traitement simples. Deux types de nanoparticules – des nanocristaux de cellulose et des nanofibres de cellulose – ont été utilisés par le doctorant Deeptanshu Sivaraman pour fabriquer "l'encre d'impression" du bioaérogel.
Plus de 80% d'eau
Le comportement d'écoulement de l'encre est décisif pour l'impression 3D : elle doit être suffisamment épaisse pour pouvoir conserver une forme tridimensionnelle avant le durcissement. En même temps, elle doit se liquéfier sous pression pour pouvoir s'écouler à travers la buse de l'imprimante. C'est exactement ce que Deeptanshu Sivaraman a réussi à faire avec la combinaison de nanocristaux et de nanofibres : les longues nanofibres confèrent à l'encre une viscosité élevée, les cristaux plutôt courts veillent à ce qu'elle réagisse en se diluant au cisaillement, c'est-à-dire qu'elle se liquéfie brièvement lors de l'impression.
Au total, l'encre contient environ douze pour cent de cellulose – et 88 pour cent d'eau. "Nous avons pu obtenir les propriétés requises avec la seule cellulose, sans aucun additif ni charge", explique Deeptanshu Sivaraman. C'est une "bonne nouvelle" non seulement pour la biodégradabilité de l'aérogel fini, mais aussi pour ses propriétés d'isolation thermique. Car pour que l'encre puisse devenir un aérogel après l'impression, les chercheurs remplacent le solvant eau dans les pores d'abord par de l'éthanol, puis par de l'air – et ce sans déformer l'objet imprimé. "Moins l'encre contient de matières solides, plus l'aérogel qui en résulte est poreux", explique Shanyu Zhao.
Cette grande porosité ainsi que la petite taille des pores individuels font de tous les aérogels des isolants thermiques extrêmement efficaces. Les chercheurs ont toutefois constaté une propriété particulière de l'aérogel de cellulose imprimé : Il est anisotrope. Cela signifie que sa résistance et sa conductivité thermique dépendent de la direction. "L'anisotropie est due en partie à l'orientation des fibres de nanocellulose et en partie au processus d'impression lui-même", explique Wim Malfait. Ainsi, les chercheurs peuvent contrôler dans quel axe la pièce d'aérogel imprimée doit être particulièrement stable ou particulièrement isolante. De tels composants isolants précis pourraient par exemple être utilisés dans la microélectronique, où la chaleur ne peut être transmise que dans une certaine direction.
Un grand potentiel en médecine
Bien que le projet de recherche initial, financé par le Fonds national suisse (FNS), portait principalement sur l'isolation thermique, les chercheurs ont rapidement vu un autre domaine d'application pour leur aérogel bio imprimable : la médecine. Comme il est composé de cellulose pure, le nouvel aérogel est biocompatible avec les tissus vivants. Sa structure poreuse est capable d'absorber des médicaments et de les libérer ensuite dans le corps pendant une période prolongée. Et l'impression 3D offre la possibilité de fabriquer des formes exactes qui pourraient par exemple servir d'échafaudages pour la croissance cellulaire ou d'implants.
Un avantage particulier : l'aérogel imprimé peut être réhydraté et séché à nouveau plusieurs fois après le processus de séchage, sans perdre sa forme ou sa structure poreuse. Dans les applications pratiques, cela faciliterait la manipulation : le matériau pourrait être stocké et transporté sous forme sèche et n'être réhydraté que juste avant son utilisation. À l'état sec, il est non seulement léger et maniable, mais aussi moins sensible aux bactéries – et ne doit pas être protégé à grands frais contre le dessèchement. "Si l'on veut ajouter des substances actives à l'aérogel, on peut le faire lors de la dernière étape de réhydratation, juste avant l'utilisation", explique Deeptanshu Sivaraman. "On ne risque alors pas de perdre l'efficacité du médicament avec le temps ou en cas de mauvais stockage".
Les chercheurs s'intéressent également à la libération de substances actives à partir d'aérogels dans le cadre d'un projet ultérieur – pour l'instant moins axé sur l'impression 3D. Shanyu Zhao travaille avec des chercheurs allemands et espagnols sur des aérogels à base d'autres biopolymères, comme l'algin (issu d'algues) et le chitosan (issu de la chitine d'algues et de crustacés). Wim Malfait souhaite quant à lui améliorer l'isolation thermique des aérogels de cellulose. Quant à Deeptanshu Sivaraman, il a terminé son doctorat et travaille désormais au sein de la spin-off Siloxene AG de l'Empa, qui développe des molécules hybrides à base de silicium.
Publication originale
Deeptanshu Sivaraman, Yannick Nagel, Gilberto Siqueira, Parth Chansoria, Jonathan Avaro, Antonia Neels, Gustav Nyström, Zhaoxia Sun, Jing Wang, Zhengyuan Pan, Ana Iglesias‐Mejuto, Inés Ardao, Carlos A. García‐González, Mengmeng Li, Tingting Wu, Marco Lattuada, Wim J. Malfait, Shanyu Zhao; "Additive Manufacturing of Nanocellulose Aerogels with Structure‐Oriented Thermal, Mechanical, and Biological Properties"; Advanced Science, 2024-3-13
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