Mini-usines imprimées en 3D

Il n'y aura bientôt plus rien qui ne puisse être fabriqué par impression 3D. Mais les matériaux utilisés à cet effet étaient jusqu'à présent de la "matière morte" comme les plastiques ou les métaux.

Aujourd'hui, un groupe de chercheurs de l'ETH mené par le professeur André Studart, directeur du Laboratoire des matériaux complexes, présente une nouvelle plateforme d'impression 3D qui travaille avec de la matière vivante. Les chercheurs ont développé une encre contenant des bactéries. Cela permet d'imprimer des mini-usines biochimiques avec différentes fonctionnalités, en fonction des espèces de bactéries que les chercheurs utilisent dans l'encre.

Utiliser les propriétés des bactéries

Dans leur travail, les collaborateurs de Stuart, Patrick Rühs et Manuel Schaffner, ont utilisé les espèces bactériennes Pseudomonas putida et Acetobacter xylinum. La première espèce peut décomposer le phénol toxique produit à grande échelle par l'industrie chimique. La deuxième espèce sécrète de la nanocellulose d'une grande pureté. La cellulose bactérienne a un effet analgésique, maintient l'humidité et est stable. Elle pourrait donc être utilisée en cas de brûlures.

La nouvelle plateforme d'impression des chercheurs de l'ETH offre de nombreuses possibilités de combinaisons. Ainsi, les scientifiques peuvent utiliser en un seul passage jusqu'à quatre encres différentes contenant différentes espèces de bactéries à des concentrations variables, afin de produire des objets aux fonctions multiples.

L'encre est composée d'un hydrogel biocompatible et structurant. Celui-ci contient de l'acide hyaluronique, des molécules de sucre à longue chaîne ainsi que de l'acide silicique. Le milieu de culture des bactéries est mélangé à l'encre, de sorte que les bactéries ont tout pour vivre. Dans cet hydrogel, les chercheurs peuvent ajouter les bactéries avec les propriétés souhaitées et finalement imprimer n'importe quelle structure tridimensionnelle.

Viscos comme du dentifrice

Lors du développement de l'hydrogel contenant des bactéries, ses propriétés d'écoulement ont constitué un défi particulier. Ainsi, l'encre doit pouvoir s'écouler suffisamment pour pouvoir être pressée à travers la buse d'impression. Plus l'encre est solide, plus les bactéries ont du mal à s'y déplacer et moins elles sont productives. Parallèlement, les formes imprimées doivent être suffisamment stables pour supporter le poids de couches supplémentaires. "L'encre doit être aussi visqueuse que du dentifrice et avoir la consistance de la crème pour les mains Nivea", résume Schaffner pour expliquer la recette du succès.

Les scientifiques ont baptisé leur nouveau matériau d'impression "Flink", ce qui signifie "functional living ink". Ils viennent de publier cette technique dans la revue spécialisée page externeScience Advances présenté.

Un potentiel énorme

Les scientifiques spécialistes des matériaux n'ont pas encore étudié la durée de vie des mini-usines imprimées. "Comme les bactéries n'ont guère d'exigences, nous partons du principe qu'elles peuvent survivre très longtemps dans les structures imprimées", estime Rühs.

La recherche n'en est qu'à ses débuts. "Le potentiel d'impression avec des hydrogels contenant des bactéries est énorme, car la diversité des bactéries utiles est très grande", explique Rühs. Il attribue le fait que presque personne n'ait jusqu'à présent travaillé avec des bactéries dans le cadre de procédés additifs à la mauvaise réputation des micro-organismes. "La plupart des gens n'associent les bactéries qu'aux maladies. Pourtant, nous ne pourrions pas vivre sans elles", souligne-t-il. Les chercheurs considèrent en outre que leur nouvelle encre est totalement inoffensive. Les bactéries utilisées sont toutes inoffensives et utiles.

Capteur de toxicité et filtre à huile

Outre les applications médicales et biotechnologiques, les chercheurs peuvent imaginer de nombreuses autres applications utiles. De tels objets permettent par exemple d'étudier les processus de dégradation ou la formation de biofilms. Une application pratique serait un capteur imprimé en 3D avec des bactéries, qui indiquerait la présence de substances toxiques dans l'eau potable. On pourrait également imaginer des filtres contenant des bactéries, utilisés lors de catastrophes pétrolières. Les défis actuels sont la longue durée d'impression et la difficulté de mise à l'échelle. Pour produire de la cellulose destinée à des applications biomédicales, il faut Acetobacteractuellement plusieurs jours. Les scientifiques sont toutefois convaincus qu'ils peuvent encore optimiser et accélérer les processus.

Le développement de matériaux spéciaux pour l'impression 3D est une spécialité du groupe de recherche du professeur de l'ETH André Studart. Ainsi, lui et son équipe ont également mis au point une encre imprimable hautement poreuse en céramique, qui permet d'imprimer des structures très légères de type osseux pour la production d'énergie.