Encre-Capteur
Une encre bactérienne vivante pour l’impression 3D.
Les matériaux à base de bactéries regorgent de micro-organismes. On se souvient des Hydrogels Bactériens, bien sûr. Et si, grâce à l’impression 3D, on pouvait donner n’importe quelle forme à ces hydrogels, et en faire des capteurs organiques qui s’adaptent à leur environnement ? Avec l’Encre-Capteur, cette possibilité s’offre à nous ! Ce matériau vous permet d’imprimer en 3D des hydrogels réactifs luminescents aux applications infinies.
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Qu’est-ce qui la rend si particulière ?
Vitalité
L’Encre-Capteur contient des bactéries bien vivantes. Il suffit de faire attention à les garder en vie et en bonne santé. Ce n’est pas si difficile, quand on sait que les bactéries s’accommodent très bien de vivre à nos côtés, sans personne pour leur cuisiner le dîner ! Avec seulement quelques nutriments, par exemple du sucre, l’encre peut donc survivre de longues périodes.
Un objet imprimé avec l’Encre-Capteur qui contient des bactéries bioluminescentes.
(Ré)activité
Les bactéries qui se trouvent dans l’Encre-Capteur réagissent à leur environnement. Avec des bactéries modifiées bioluminescentes ou qui produisent de la mélanine, il est possible de configurer les objets imprimés à l’Encre-Capteur pour qu’ils changent de couleur en réaction à des processus chimiques spécifiques. Ils peuvent donc jouer le rôle de capteurs, qui permettent de révéler des propriétés de l’environnement jusqu’ici invisibles à l’œil nu.
Suite de photos d’un objet imprimé en 3D renfermant deux souches bactériennes, qui permettent d’observer l’évolution des couleurs et de la bioluminescence au cours du temps.
Émission et obstruction de lumière
L’Encre-Capteur est translucide, et pour modifier son apparence, il suffit de changer les bactéries qu’elle contient. Si l’Encre-Capteur contient des bactéries bioluminescentes, alors l’hydrogel luit dans la nuit, comme une méduse. Plus la surface est grande, plus les microbes scintillent, grâce à l’intensification de leur activité. Mais pour qu’ils luisent, il faut qu’ils soient satisfaits et bien nourris ! Il est également possible d’obstruer la lumière, en utilisant des bactéries E. coli modifiées génétiquement lors de l’élaboration et l’impression d’hydrogels.
Photos de gyroïdes (à gauche) et de cubes (à droite) imprimés avec des encres hydrogels remplies de Photobacterium kishitanii. Les structures sont photographiées à la lumière (en bas) ou dans l’obscurité, avec un temps d’exposition plus long pour mettre en valeur leur bioluminescence.
Fluidité pour l’impression 3D
L’Encre-Capteur est une encre fluide, prête à l’emploi pour l’impression 3D. Elle permet d’imprimer des configurations géométriques complexes, d’habitude difficiles à réaliser. De plus, elle propose une résolution de haute qualité et peut répliquer des structures naturelles délicates, comme les coraux. Le processus d’impression crée une texture poreuse, qui fournit encore plus de surface à exploiter pour l’activité des bactéries.
Un échantillon en forme de gyroïde, imprimé en résine standard. Cette structure géométrique à haute surface existe naturellement en science des polymères et en géométrie.
© Gerardo Lucio, CC BY-NC-ND 2.0
Les coraux disposent d’une très grande surface pour interagir avec leur environnement. Cette structure géométrique convient parfaitement aux matériaux remplis de bactéries, comme ceux que l’on imprime avec l’Encre-Capteur.
Autonomie et efficacité
L’avantage des systèmes organiques, c’est qu’ils peuvent fonctionner en autonomie avec efficacité, sans consommer beaucoup d’énergie. Imaginez des appareils autonomes, imprimés avec cette encre micro-organique !
Applications
Comment s’en servir ?
Des capteurs, mais pas seulement
Parmi les champs d’application potentiels de l’Encre-Capteur, on compte la médecine, la robotique, la surveillance de l’environnement et les infrastructures. Les objets imprimés à l’aide de l’Encre-Capteur pourraient permettre de créer des capteurs de l’environnement moins énergivores. Ceux-ci pourraient évaluer la qualité de l’eau, détecter les substances polluantes ou identifier des concentrations de molécules variées, et signaler ces données à l’aide de bioluminescence ou d’un changement de couleur. On peut déjà modifier des bactéries pour que ce matériau détecte et réagisse à des conditions spécifiques de son environnement. Il serait donc possible d’utiliser d’autres bactéries pour parvenir à des fonctions spécifiques.
Mais la recherche est encore loin de ces applications, puisque le développement de cette catégorie de matériaux n’en est qu’à ses premiers pas. L’avenir nous réserve peut-être même des écosystèmes miniatures : des micro-usines autonomes aux fonctions ultra-complexes, par exemple une station météorologique bactérienne qui détecte la qualité de l’air. Pourquoi pas ? Les possibilités sont infinies !
À quoi pourrait ressembler un capteur imprimé à l’aide de cette encre ?
J’espère que quelqu’un utilisera le système que j’ai développé pour créer un appareil autonome avec des bactéries qui peuvent faire quelque chose d’utile. Je pense que c’est un domaine vraiment passionnant, parce que, et j’essaye de vous le montrer, il y a beaucoup de recherche derrière. En modifiant des bactéries, on peut vraiment faire tout un tas de choses. D’ailleurs, honnêtement, je n’arrive même pas à penser à tout.
Composition
C’est quoi, exactement ?
L’Encre-Capteur est composée d’eau, de bactéries et d’un composant polymérisable, pour solidifier l’encre en hydrogel lors de l’impression. Cet hydrogel est un polymère qui se lie à l’eau et contient les bactéries. Selon les applications, l’encre pourra être imprégnée de différentes bactéries, qu’elles soient de type naturel ou modifiées génétiquement. Par exemple, pour créer une Encre-Capteur qui luit dans certaines conditions, on peut utiliser une bactérie bioluminescente appelée Photobacterium kishitanii, que l’on retrouve dans l’organe photophore du Physiculus japonicus, un poisson qui demeure dans les eaux profondes du Japon. L’encre elle-même ne comporte pas de quoi nourrir les bactéries qu’elle contient, pour éviter tout problème d’incompatibilité chimique qui pourrait survenir lors de l’impression. Les bactéries doivent donc survivre quelques heures sans nourriture jusqu’à la fin du processus d’impression.
Un objet composite, qui contient deux types de bactéries : Photobacterium kishitanii et E. Coli (génétiquement modifiée).
Fabrication
Pour donner forme à des matériaux vivants complexes, quelles technologies d’impression ?
© Damien Loterie, Paul Delrot, Christophe Moser, EPFL Lausanne
Une impression volumétrique en action.
Premièrement, on combine les bactéries avec un liquide photopolymérisable afin de former l’encre nécessaire à l’impression 3D.
Et maintenant, place à l’impression ! L’Encre-Capteur est compatible avec une technique appelée l’impression 3D volumétrique. Comment ça marche ? Eh bien, un matériau au départ liquide est rendu solide grâce à l’application ciblée de lumière. Cette méthode, très rapide, se prête particulièrement à l’impression des matériaux bactériens, et permet d’imprimer des structures complexes et délicates.
Après l’impression, il suffit de retirer l’excédent de matière, et l’objet est prêt à l’emploi, ou à être encore modifié.
Les bactéries survivent pendant plusieurs heures dans l’encre sans se nourrir. Mais puisque l’encre ne contient pas de nutriments, il faut les nourrir après impression ! Pour stimuler leur croissance et encourager la fonction désirée, on immerge les objets dans un milieu de culture qui contient les nutriments dont elles ont besoin.
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Pour plus de détails sur l’Encre-Capteur, lisez l’article (en anglais) : Complex living materials made by light-based printing of genetically programmed bacteria
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