Dans le règne animal, les moules sont des maîtres de l'adhésion sous-marine. Les mollusques marins se regroupent au sommet des rochers et le long du fond des navires, et se tiennent rapidement contre les vagues de l'océan grâce à une plaque gluée qu'ils sécrètent à travers leur pied. Ces structures adhésives tenaces ont incité les scientifiques ces dernières années à concevoir des adhésifs biispires et étanches similaires.
Désormais, les ingénieurs du MIT et Freie Universität Berlin ont développé un nouveau type de colle qui combine l'adhésivité étanche des plaques des moules avec les propriétés anti-germes d'un autre matériau naturel: le mucus.
La recherche est publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
Chaque surface de notre corps non couverte de peau est tapissée d'une couche protectrice de mucus – un réseau visqueux de protéines qui agit comme une barrière physique contre les bactéries et autres agents infectieux. Dans leur nouveau travail, les ingénieurs ont combiné des polymères collants d'inspiration moule à moules avec des protéines dérivées de mucus, ou mucines, pour former un gel qui adhère fortement aux surfaces.
La nouvelle colle dérivée du mucus a empêché l'accumulation de bactéries tout en gardant sa prise collante, même sur des surfaces humides. Les chercheurs envisagent qu'une fois les propriétés de la colle optimisées, elle pourrait être appliquée sous forme de liquide par injection ou pulvérisation, qui se solidifierait ensuite en gel collant. Le matériau peut être utilisé pour enrober les implants médicaux, par exemple, pour prévenir l'infection et l'accumulation de bactéries.
La nouvelle approche de fabrication de colles de l'équipe pourrait également être ajustée pour incorporer d'autres matériaux naturels, tels que la kératine – une substance fibreuse trouvée dans les plumes et les cheveux, avec certaines caractéristiques chimiques ressemblant à celles du mucus.
«Les applications de notre approche de conception de matériaux dépendront des matériaux précurseurs spécifiques», explique George Degen, un post-doctorant du département de génie mécanique du MIT. « Par exemple, les matériaux dérivés de mucus ou inspirés du mucus peuvent être utilisés comme adhésifs biomédicaux multifonctionnels qui empêchent également les infections. Alternativement, l'application de notre approche à la kératine pourrait permettre le développement de matériaux d'emballage durables. »
Les co-auteurs du MIT de Degen incluent Corey Stevens, Gerardo Cárcamoo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck et Gareth McKinley, avec Raju Bej, Peng Tang et Rainer Haag de Freie Universität Berlin.
Une combinaison collante
Avant de venir au MIT, Degen était un étudiant diplômé à l'Université de Californie à Santa Barbara, où il a travaillé dans un groupe de recherche qui a étudié les mécanismes adhésifs des moules.
« Les moules sont capables de déposer des matériaux qui adhèrent aux surfaces humides en quelques secondes à quelques minutes », explique Degen. « Ces matériaux naturels font mieux que les adhésifs commercialisés existants, en particulier pour s'en tenir aux surfaces humides et sous-marines, qui a été un défi technique de longue date. »
Pour s'en tenir à un rocher ou à un navire, les moules sécrètent un liquide riche en protéines. Les liaisons chimiques, ou réticulations, agissent comme des points de connexion entre les protéines, permettant à la substance sécrétée de se solidifier simultanément en gel et de rester à une surface humide.
En l'occurrence, des caractéristiques de réticulation similaires se trouvent dans la mucine – une grande protéine qui est le principal composant non eau du mucus. Lorsque Degen est venu au MIT, il a travaillé avec McKinley, professeur de génie mécanique et expert en science des matériaux et en flux, et Katharina Ribbeck, professeur de génie biologique et leader dans l'étude du mucus, pour développer un croisement Relier la colle qui combinerait les qualités adhésives des plaques de moule avec les propriétés de blocage des bactéries du mucus.
Mélange de liens
Les chercheurs du MIT se sont associés à Haag et à des collègues de Berlin qui se spécialisent dans la synthèse des matériaux bioinspirés. Haag et Ribbeck sont membres d'un groupe de recherche collaboratif qui développe des hydrogels dynamiques pour les bio-interfaces. Le groupe de Haag a fait des adhésifs de type moule, ainsi que des liquides inspirés du mucus en produisant des polymères microscopiques de type fibre qui sont similaires en structure aux protéines de mucine naturelle.
Pour leur nouveau travail, les chercheurs se sont concentrés sur un motif chimique qui apparaît dans les adhésifs de moules: un lien entre deux groupes chimiques appelés « catéchols » et « thiols ». Dans la colle naturelle ou la plaque naturelle de la moule, ces groupes se combinent pour former des réticulations de catéchol-thiol qui contribuent à la force cohésive de la plaque. Les catéchols améliorent également l'adhésion d'une moule en se liant à des surfaces telles que les rochers et les coques de navire.
Fait intéressant, les groupes thiol sont également répandus dans les protéines de mucine. Degen s'est demandé si les polymères inspirés des moules pouvaient se lier avec la mucine thiols, permettant aux mucines de passer rapidement d'un liquide à un gel collant.
Pour tester cette idée, il a combiné des solutions de protéines de mucine naturelle avec des polymères inspirés des moules synthétiques et a observé comment le mélange résultant s'est solidifié et collé aux surfaces au fil du temps.
« C'est comme un époxy en deux parties. Vous combinez deux liquides ensemble, et la chimie commence à se produire de sorte que les solifidies liquides tandis que la substance se colle simultanément à la surface », explique Degen.
« Selon la quantité de réticulation que vous avez, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle les liquides se gélifient et adhèrent », ajoute Haag. « Nous pouvons tout faire sur des surfaces humides, à température ambiante et dans des conditions très douces. C'est ce qui est tout à fait unique. »
L'équipe a déposé une gamme de compositions entre deux surfaces et a constaté que l'adhésif résultant maintenait les surfaces ensemble, avec des forces comparables aux adhésifs médicaux commerciaux utilisés pour lier les tissus. Les chercheurs ont également testé les propriétés de blocage des bactéries de l'adhésif en déposant le gel sur des surfaces en verre et en les incubant avec des bactéries pendant la nuit.
« Nous avons constaté que si nous avions une surface en verre nue sans notre revêtement, les bactéries formaient un biofilm épais, alors qu'avec notre revêtement, les biofilms étaient largement empêchés », note Degen.
L'équipe dit qu'avec un peu de réglage, il peut encore améliorer la prise de l'adhésif. Ensuite, le matériel pourrait être une alternative forte et protectrice aux adhésifs médicaux existants.
« Nous sommes ravis d'avoir établi une plate-forme de conception de biomatériaux qui nous donne ces propriétés souhaitables de gélification et d'adhésion, et comme point de départ, nous avons démontré certaines applications biomédicales clés », explique Degen. « Nous sommes maintenant prêts à nous développer dans différents systèmes synthétiques et naturels et à cibler différentes applications. »
