Bilan

Quand la nature se met au service des nanotechnologies

L’Institut Adolphe Merkle, créé grâce à un legs spectaculaire de 100 millions, développe à Fribourg des matériaux souples bio-inspirés. L’arrivée d’une pointure de Cambridge valide sa stratégie.
  • La cheffe du groupe de biologie, Barbara Rothen-Rutishauser, et le directeur Christoph Weder étudient respectivement le poumon et le concombre de mer. Crédits: Charly Rappo/arkive.ch
  • Les étudiants Silvana Müller et Christophe Monnier dans un labo de l’institut. Crédits: Charly Rappo/arkive.ch
  • La bio-inspiration: partir de la nature afin de trouver de nouveaux matériaux. La coupe d’un tronc... Crédits: Fotolia
  • ... puis sa structure agrandie 2000 fois... Crédits: Getty Images
  • ... et enfin les nanofibres de cellulose du bois. Crédits: Institut Merkle

Imaginez un textile capable de s’autoréparer, de changer de couleur à la demande ou même de devenir pare-balles dans la fraction de seconde où retentit une détonation. Vous pensez à un nouveau costume de superhéros? C’est un peu ça, sauf que nous ne sommes pas dans le laboratoire de Bruce Wayne (Batman) mais à Fribourg, à l’Adolphe Merkle Institute (AMI).

Logé dans l’ancien bâtiment de la grande usine Ilford de Marly en attendant d’emménager dans des locaux flambant neufs près du Jardin botanique de Fribourg l’an prochain, cet institut spécialisé dans les nanotechnologies a vu le jour grâce au legs spectaculaire de 100 millions de francs de l’industriel Adolphe Merkle. 

Depuis 2008, l’institut, qui se finance aussi à 60% via des contrats de recherche, développe de nouveaux matériaux souples et inspirés par la foultitude de mécanismes biologiques que la nature a inventés pour assembler, soigner, protéger ou reproduire les êtres vivants. L’AMI a choisi une niche qui puise dans l’encyclopédie quasi infinie produite par l’évolution naturelle pour explorer les technologies de l’extrême miniaturisation.

Sur les slides que fait défiler Marc Pauchard, le directeur adjoint de l’AMI: une aile de papillon, un coquillage, une pieuvre, et même un concombre de mer.

«La nature offre diverses sources d’inspiration, explique-t-il. La biomimétique consiste à transposer un mode d’organisation choisie par la nature. Par exemple, Ilford a imité la structure des pigments sur l’aile d’un papillon pour améliorer ses films. Avec le concept de biomorphing, certains chercheurs transforment un objet naturel en conservant certaines de ses propriétés pour un nouvel usage. La bio-inspiration consiste, elle, à reproduire les effets d’une structure naturelle, comme le changement de couleur de la peau d’un poulpe ou le mode d’adhésion d’un escargot, mais avec de nouveaux matériaux.»

C’est ainsi que depuis dix ans le directeur de l’institut, Christoph Weder, a développé une passion pour le concombre de mer. Une rencontre puis des recherches aux Etats-Unis avec un biologiste marin lui ont permis de comprendre comment ce disgracieux échinoderme parvient à transformer une peau normalement molle en véritable carapace.

«Sa peau est un nanocomposite qui mélange un matériau mou avec des nanofibres rigides inorganisées, explique le professeur de chimie. Quand l’animal est sous stress, il génère une colle moléculaire qui relie ces nanofibres. Cela durcit sa peau d’un facteur 10, le protégeant des attaques.»

Un nouveau tissu pare-balles?

Dans le cadre de l’AMI, il a développé un composite comparable sur la base d’une matrice en polymère et de nanofibres de cellulose qui se rigidifient sous l’action d’un régulateur chimique. De quoi réaliser un nouveau tissu pare-balles?

«Il faudra encore des années, répond Christoph Weder. Mais le fait que les nanofibres de cellulose soient biocompatibles et 100 fois moins chères que les fameux nanotubes de carbone ouvre d’autres pistes. Nous collaborons ainsi avec des hôpitaux universitaires pour une application dans les implants cérébraux.»

Le cerveau supportant mal la présence prolongée d’un corps rigide, il serait possible d’amollir de tels implants après leur pose pour diminuer les risques de rejet. Un industriel envisage d’appliquer cette technologie sur des aiguilles de perfusion afin d’éviter les désagréments d’une aiguille en métal.

La démarche est assez typique des recherches entreprises par les 65 chercheurs de l’institut, chiffre qui devrait doubler d’ici à 2016. Répartis entre différents groupes de chimie, de science des matériaux et de biologie, auxquels s’ajoutera prochainement un groupe de physique, la recherche fondamentale est ici guidée par l’interdisciplinarité que suppose la bio-inspiration, mais aussi par la volonté de développer de nouveaux matériaux qui remplissent une fonction.

«Nous sommes loin du marché, pour la bonne raison qu’en tant que chercheur nous ne savons pas ce que le marché est prêt à accepter. Mais nos partenaires industriels nous le disent», précise Christoph Weder. A la tête du groupe de biologie, Barbara Rothen-Rutishauser s’intéresse ainsi à l’organe humain qui a la plus grande interaction avec l’environnement: le poumon. «La surface des poumons en contact avec l’environnement représente en moyenne 140 m2.

Celle du système digestif est de 120 m2 et celle de la peau de 2 m2. Tant pour l’étude des micropolluants que nous inhalons que pour celle de la diffusion de médicaments sous forme d’aérosols, il est crucial d’obtenir un modèle in vitro si nous voulons remplacer les expérimentations animales», explique-t-elle. Son équipe est déjà parvenue à recréer la barrière alvéolaire entre l’air et le sang dans des boîtes de Petri. Elle tente maintenant d’imprimer un modèle de poumons en trois dimensions.

Des technos pour Batman

La nature ne s’est cependant pas contentée de créer de nouveaux matériaux. Elle a aussi développé des mécanismes qui les activent. Par exemple, les cellules de cheveux sensorielles qui sont dans nos oreilles internes transforment la vibration d’un son en signal nerveux audible par notre cerveau.

De même, les pétales d’une fleur ne se déploient que quand il est nécessaire d’émettre un parfum qui va attirer un insecte butineur pour la reproduction. Logiquement, les chercheurs de l’Institut s’inspirent de tels mécanismes pour activer ou contrôler leurs nanomatériaux.

Le groupe du professeur Marco Lattuada applique ainsi des champs magnétiques externes sur des gels de silice afin d’en moduler l’organisation, selon les couches. Une méthode qui pourrait servir à développer des cartilages artificiels proches de ceux de nos articulations. 

De même, le professeur Alke Fink met au point un nouveau type de petites vésicules biocompatibles et étanches (liposomes) susceptibles d’encapsuler un médicament.

Dotés d’une membrane enrichie de nanoparticules, ces vecteurs réagissent à un champ magnétique pour libérer ces médicaments à la demande. Par exemple uniquement à proximité de cellules cancéreuses afin d’augmenter l’efficacité du médicament tout en en diminuant les effets secondaires.

En cinq ans d’existence, l’Institut Adolphe Merkle a trouvé dans la bio-inspiration le cœur de son identité. Il va maintenant la renforcer de deux façons. Tout d’abord, le professeur Ullrich Steiner, du laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge, va prendre la tête du nouveau groupe de physique à partir du printemps prochain. Ce chercheur s’est rendu célèbre en reproduisant les mécanismes d’adhésion du gecko avec des nanostructures en polymères.

Les doigts de ce petit reptile sont recouverts d’un million de poils qui se scindent chacun en millier de minuscules spatules conférant à l’animal la capacité d’adhérer sur les surfaces les plus lisses. La compréhension physique de tels phénomènes va ainsi enrichir les approches chimiques et biologiques des autres groupes de recherche.

En parallèle, l’institut fédère une équipe de chercheurs provenant de divers labos de recherche suisses dans le but de créer un nouveau Centre national de compétence en recherche (NCCR) sur la thématique des nanomatériaux bio-inspirés et activables. 

Si ce centre voit le jour, les ressources supplémentaires, et surtout durables, qui en accompagneront la mise en œuvre permettront de mener des recherches dignes des ambitieuses technologies utilisées par Batman. 

Fabrice Delaye
Fabrice Delaye

JOURNALISTE

Lui écrire

Fabrice Delaye a découvert Internet le 18 juillet 1994 sur les écrans des inventeurs du Web au CERN. La NASA diffusait ce jour-là les images prises quasi en direct par Hubble de la collision de la comète Shoemaker-Levy sur la planète Jupiter…Fasciné, il suit depuis ses intuitions sur les autoroutes de l’information, les sentiers de traverse de la biologie et étend ses explorations de la microélectronique aux infrastructures géantes de l’énergie.

L’idée ? Montrer aux lecteurs de Bilan les labos qui fabriquent notre futur immédiat; éclairer les bases créatives de notre économie. Responsable de la rubrique techno de Bilan depuis 2006 après avoir été correspondant de L’Agefi aux Etats-Unis en association avec la Technology Review du MIT, Fabrice Delaye est diplômé de l’Institut d’Etudes Politiques de Paris et de l’EPFL.

Membre du jury des SwissICT Awards, du comité éditorial de la conférence Lift et expert auprès de TA-Swiss à l’Académie Suisse des Arts et des Sciences, Fabrice Delaye est l’auteur de la première biographie du président de l’EPFL, Patrick Aebischer.

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