Institut des
NanoSciences de Paris
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Mécanique multi-échelles des solides faibles, faits marquants

« Stress » + sel : attention à la rupture !

Bio-matériaux du futur, les hydrogels formés par l’assemblage de polymères naturels commencent à être utilisés en médecine régénérative comme matrices implantables pour la croissance de tissus, voire d’organes in vivo. Cependant, ces applications prométhéennes imposent un cahier des charges riche en contraintes antagonistes. En particulier, les gels candidats doivent conserver leur intégrité mécanique, afin de maintenir les cellules en place et de favoriser la mécano-transduction indispensable à leur division, tout en se dégradant au fur et à mesure que croît le nouveau tissu. La concurrence effrenée qui règne dans ce domaine stimule une approche pragmatique qui laisse de côté de nombreux aspects fondamentaux. S’inspirant de ces problématiques, tout en restant en amont des applications, l’équipe « Mécanique multi-échelle des solides faibles » de l’Institut des Nanosciences de Paris, a mis en évidence et modélisé * un couplage mécano-chimique spectaculaire lors de la rupture de gels d’alginate dans des conditions « physiologiques ».

Les alginates sont des polysaccharides extraits d’algues. Ces chaînes polymères, fortement chargées négativement, s’auto-assemblent en présence de cations divalents comme Ca2+ – qui constituent des ponts ioniques – pour former des hydrogels parfaitement bio-compatibles. Ces ponts, localisés entre des séquences spécifiques le long des chaînes, forment de véritables fermetures-éclair. La rupture du gel implique leur « dézippage », processus dissipatif que l’équipe « Mécanique multi-échelle des solides faibles » de l’Institut des Nanosciences de Paris a récemment décrit en détail, grâce à des expériences effectuées dans une géométrie de fracture idéale.

En milieu physiologique, comprenant des cations non-liants, comme Na+, les gels d’alginate se dégradent au fil des jours. Ce phénomène est attribué à l’échange entre les cations liants et non-liants, comme dans la résine d’un adoucisseur d’eau. La cinétique très lente, vraisemblablement limitée par la diffusion macroscopique rend le processus difficilement contrôlable. Mais en réalité, rien de tout cela n’était jusqu’à présent bien compris !

L’équipe de l’INSP vient d’observer que lorsqu’on introduit une goutte de solution saline en tête d’une fracture, celle-ci peut accélérer immédiatement par un facteur 10, pour des concentrations physiologiques de 0.2 mol/litre. L’effet, spectaculaire, peut avoir des conséquences importantes sur la stabilité d’une matrice d’alginate soumise à des contraintes, par exemple lors de la régénération d’un cartilage. Au delà de la simple observation, les chercheurs ont pu modéliser ce phénomène en prenant simplement en compte, la contribution entropique des ions sodium à l’abaissement de la barrière d’énergie libre qu’il faut surmonter pour ouvrir d’un cran le « zip » ionique. Deux Na+ aident un Ca2+ à s’extraire de sa cage, en assurant la neutralité électrique ; la force à appliquer pour « dézipper » à une vitesse donnée est d’autant plus faible que le milieu est plus salé. Expérimentalement, c’est la force qu’on impose et la fracture qui accélère. En s’affranchissant de la cinétique de diffusion, non pertinente à l’échelle de la zone sub-micronique où l’énergie est dissipée, ces scientifiques ont pu, pour la première fois, accéder directement à la cinétique d’échange d’ions. Grâce au micro-réacteur sous conditions mécaniques extrêmes que constitue une tête de fracture, les chercheurs sont désormais en mesure d’aborder de façon originale des questions complexes de physique des polyélectrolytes …

JPEG (1) Dans une fracture, l’énergie dissipée aux échelles microscopiques par « dézippage » des ponts ioniques, sélectionne la vitesse macroscopique

JPEG (2) Dès l’injection d’une goutte d’eau salée en tête, la vitesse de fracture saute d’un facteur trois

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(3) Selon la concentration et la vitesse initiale, le saut relatif peut atteindre un facteur 10. La connaissance détaillée des mécanismes de rupture dans les hydrogels physiques comme l’alginate ont permis à l’équipe « Mécanique multi-échelle des solides faibles » (INSP), de modéliser ce phénomène avec un excellent accord quantitatif (courbes) et un seul paramètre ajustable.

 

Pour en savoir plus :

*T. Baumberger & O. Ronsin, « Cooperative Effect of Stress and Ion Displacement on the Dynamics of Cross-Link Unzipping and Rupture of Alginate Gels »
Biomacromolecules 2010, 11, 1571–1578.