Fibres cuirassées : une stratégie biologique pour des recouvrements flexibles et solides

Patrice Guay    Publications     biologie, recouvrements, spectroscopie raman

Des chercheurs de l’Institut Max Planck des colloïdes et interfaces et leurs collaborateurs de l’Université de Californie et de l’Université de Chicago croient qu’ils ont mis à jour le fonctionnement du byssus des moules marines, un faisceau de fibres résistant et extensible. Le byssus permet aux moules de se fixer solidement aux côtes rocheuses et de résister au balayage des vagues.

(I) Les moules se fixent aux surfaces dures de la zone marine intertidale à l’aide du byssus. (II) Le byssus est composé de fibres extensibles possédant une cuticule agissant comme une couche de protection dure et rugueuse (microscopie électronique à balayage). La morphologie noueuse du cuticule provient d’inclusions granulaires insérées dans une matrice continue. (III) La concentration des complexes dopa-fer est plus élevée dans les inclusions granulaires que dans la matrice. Cela explique probablement leurs performances mécaniques différentes lors de l’étirement. (Image: Matt Harrington, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces)

Selon leur découverte, l’accumulation locale de liens réticulés à la base de fer crée de solides nœuds au sein d’une matrice extensible contenant peu de ce type de ponts moléculaires. Un tel concept pourrait être réutilisé pour la mise au point de nouveaux revêtements résistants à l’abrasion tout en étant hautement extensibles. La découverte de ces chercheurs est publiée dans la revue Science.

Les moules prospèrent dans leur habitat littoral rocheux, en dépit des énormes exigences physiques de ce milieu. Ceci est en grande partie dû à l’évolution du byssus que les moules utilisent pour s’attacher aux surfaces rocheuses.

Les fibres individuelles qui forment le byssus sont raides mais extensibles. Elles sont façonnées par les moules dans un processus semblable au moulage par injection. Les fibres du byssus sont nécessaires pour dissiper l’énergie des vagues et résister aux dommages abrasifs des débris en suspension dans l’eau. À cette fin, les fibres sont recouvertes d’une cuticule externe mince et noueuse, un polymère biologique, qui a une dureté similaire à l’époxy tout en pouvant supporter un étirement de 100% sans se fissurer.

Matthew Harrington, un chercheur ayant travaillé sur le projet et son collègue Humboldt, de l’Institut Max Planck des colloïdes et interfaces, expliquent la motivation pour l’étude de la cuticule du byssus : « Les revêtements de protection sont importants pour prolonger la durée de vie des matériaux et des dispositifs. Toutefois, la dureté et l’extensibilité sont rarement couplés dans les polymères techniques ou matériaux composites. La compréhension d’une méthode de protection d’un substrat flexible est très importante. » Les cuticules du byssus ont un aspect bosselé dû à des inclusions granulaires de taille submicronique dans une matrice apparemment continue. Les déchirures submicroniques qui se forment dans la matrice lors de l’étirement de la cuticule sont censées faire obstacle à la formation de fissures plus larges. Ces dernières pourraient conduire à une défaillance matérielle du matériau.

La forte concentration d’ions de fer dans la cuticule ainsi que la présence d’une variante rare de la tyrosine, acide aminé connu communément sous le nom dopa, sont des éléments essentiels à la compréhension du comportement mécanique particulier de la cuticule. La concentration de dopa est élevée dans le composant principal de la cuticule, la protéine MFP-1. Dopa se distingue des acides aminés typiques en raison de son affinité impressionnante pour former des complexes avec les ions de métaux de transition, en particulier le fer. Admir Masic, scientifique à l’Institut Max Planck des colloïdes et interfaces, explique: « Quand 2-3 résidus dopa forment un complexe avec un ion de fer unique, ils créent un complexe extrêmement stable qui peut être utilisé pour lier des protéines structurelles. » Ces complexes métal-protéine ont une force de rupture élevée (près de la moitié de celle de liaisons covalentes). Cependant, à la différence des liaisons covalentes, les liaisons de ces complexes métal-protéines peuvent être détruits de façon réversible, les rendant ainsi idéaux pour la création de liens croisés sacrificiels.

En utilisant une technique connue sous le nom de spectroscopie Raman in situ pour sonder la composition chimique de la cuticule, les chercheurs ont fourni la première preuve directe que la cuticule est un échafaudage polymérique à base de protéines stabilisé par des complexes dopa-fer. Par ailleurs, on a découvert que la répartition des complexes dopa-fer est en clusters, avec des zones de haute densité qui coïncident avec les inclusions granulaires et des zones de faible densité qui correspondent à la matrice inter-granulaire. Ces observations, couplées avec des observations mécaniques antérieures, suggèrent que les granules densément réticulées fonctionnent comme des inclusions dures et que la matrice, plus faiblement réticulée, agit de manière sacrificielle. Cela permet de briser les liaisons avant la rupture catastrophique du matériau.

« La nature a trouvé une solution élégante à un problème auquel les ingénieurs sont confrontés, à savoir comment combiner les propriétés de résistance à l’abrasion et d’extensibilité élevée dans la même matière », explique Peter Fratzl, directeur du département des biomatériaux à l’Institut Max Planck des colloïdes et interfaces. Apparemment, la cuticule réalise cela grâce à une adaptation de la chimie des complexes protéine-métal et une organisation submicronique de la densité de réticulation. « En théorie, cette même stratégie pourrait être appliquée aux polymères techniques et aux matériaux composites. »

Source : article original

If you enjoyed this article please consider sharing it!