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Le biomimétisme : s'inspirer du vivant

Par Susana Fernandes (chaire MANTA à l’IPREM - Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux, UMR UPPA/CNRS) pour le texte et Plop & KanKr pour les illustrations

L’observation est une étape à ne pas négliger en sciences et Susana Fernandes l’a bien compris. Curieuse de tempérament, c’est en observant la nature depuis son plus jeune âge qu’elle a commencé a s’intéresser au biomimétisme, et plus particulièrement au biomimétisme marin, auquel elle voue sa carrière. Avec l’équipe de la Chaire de recherche partenariale Manta (MAriNe maTeriAls) qu’elle dirige, elle travaille sur le développement de nouveaux matériaux réduisant l’impact sur l’environnement marin. Pour atteindre ces objectifs, la chaire travaille sur deux approches : celle utilisant des matériaux des ressources d’origine marines, les biosourcés, et celle inspirés de modèles marins, les bio-inspirés.

Mots-clés : bio-inspiration, biomimétisme marin, polymères naturels, biomatériaux, sous-produits

La bio-inspiration, un nouveau jargon ?

Imiter la nature, voilà de quoi il est question. En observant les poissons, les méduses et toutes les autres formes de vie marine, Susana s’évertue avec son équipe à créer des biomatériaux qui posséderont les mêmes propriétés (ou très proches) que celles qu’elle peut observer dans la nature. Mais pour imiter cette nature, il faut d’abord la comprendre.

C’est en se questionnant sur la manière dont les poissons arrivaient à se protéger naturellement des rayons ultraviolets (UV) du soleil (sans utiliser, comme nous, des vêtements ou des filtres solaires), qu’elle a remarqué qu’ils arrivaient à avoir naturellement des molécules présentes dans des algues marines et possédant des propriétés anti-UV. Bien que les chercheurs ne comprennent pas encore par quel mécanisme cela est possible, ils remarquent que l’on peut retrouver ces particules dans le mucus et dans les yeux des poissons. À partir de ces observations leur est venue l’idée d’extraire cette molécule directement des algues, afin de pouvoir l’utiliser dans la conception de matériaux, comme des gels ou des membranes, qui pourraient ainsi profiter de ces propriétés d’absorption des UV [1]. Dans le cadre d’une collaboration avec le Laboratoire de Biarritz, spécialisé dans les cosmétiques, ces nouveaux matériaux pourront être utilisés dans la formulation de leurs produits afin qu’ils bénéficient de nouvelles caractéristiques.

La bio-inspiration repose ici sur l’imitation de la compétence acquise par les poissons grâce aux algues. 

Des matériaux biosourcés issus de sous-produits

Dans le règne animal, plusieurs espèces possèdent des caractéristiques similaires, susceptibles d’intéresser les chercheurs. Par exemple, l’étude au microscope des molécules qui composent la carapace des crustacés a permis d’établir qu’il existait des similitudes au niveau architectural avec celles qui composent nos propres tissus. C’est une molécule, la chitine, qui garantit l’organisation et la structure des carapaces, un peu de la même manière que la cellulose structure le tronc des arbres. Il est possible d’imaginer des applications pour des reconstructions osseuse en médecine réparatrice à partir de cette molécule, et le meilleur moyen d’en produire reste de la prélever directement dans les carapaces et les coquilles qu’elle compose.

Les crustacés ne sont pas les seuls à posséder dans leur composition des éléments susceptibles d’intéresser les chercheurs. À partir de la peau des poissons, il est également possible de récupérer à la fois du collagène – une protéine présente également dans l’ensemble de nos propres cellules, assurant l’élasticité et la régénération de nos tissus, mais dont les quantités diminuent lorsque nous vieillissons –, et de l’acide hyaluronique, une molécule qui joue sur la multiplication et la migration des cellules. Ces différents éléments sont recherchés pour leur application en médecine ou leur utilisation dans des produits cosmétiques.

Mais pour atteindre les objectifs de l’équipe de recherche, il faut pouvoir se les procurer en réduisant l’impact environnemental. Pour cela, Susana Fernandes a pu créer un partenariat avec le comité des pêches des Pyrénées-Atlantiques au Pays basque, afin d’utiliser les sous-produits issus de la pêche. Le secteur halieutique, comme toute activité, amène la production de déchets. Écailles, peau, arêtes ou encore têtes de poissons ne sont pas utilisées lors de la consommation et finissent bien souvent par servir dans la production de farine alimentaire animale. En récupérant ces déchets pour en extraire les éléments souhaités à l’aide d’une chimie verte, limitant la production de substances néfastes, l’équipe de recherche a trouvé un nouveau moyen de les valoriser au maximum, pour créer de nouveaux biomatériaux, sans avoir à affecter de nouvelles populations d’organismes vivants [2-3].

Les recherches sur des éléments bio-inspirés et biosourcés ont vocation à être utilisées dans la conception de biomatériaux. Ces nouveaux matériaux trouvent leurs applications en médecine régénérative, mais qu’est-ce cela signifie concrètement ?

De nouveaux matériaux pour de nouvelles applications

La médecine régénérative est un domaine de recherche médical visant à réparer ou régénérer des tissus du corps humain ayant subi des détériorations. Que ce soit des tissus, des muqueuses, des organes ou encore des os, les applications sont aussi variées que les besoins en la matière.

S’il existe d’ores et déjà des techniques se fondant sur l’utilisation de matériaux d’origine bovine, porcine ou encore sur le corail, leur évolution et leur développement sont nécessaires afin de pallier les différents risques qui peuvent survenir. Infections, rejets et inflammation avec œdèmes douloureux sont des complications classiques à la suite d’une intervention médicale. Le choix du bon matériau est ici déterminé par celui qui saura limiter au maximum ce type de complications. Parallèlement, dans le cas l’implantation de matériaux, comme des fragments d’os, de céramiques ou de coraux, servant à pallier des dégradations de matière chez un patient, l’objectif est de trouver un matériau qui pourra se résorber progressivement dans le temps. Cela permettrait à l’os de se régénérer, et de retrouver ainsi son état initial, c’est-à-dire celui avant l’apparition de la dégradation.

Dans cette perspective, un projet de recherche est développé depuis deux ans dans le cadre d’une thèse portée en cotutelle par l’UPPA et l’université du Pays basque (EHU/UPV) en Espagne. L’objectif : développer des biomatériaux pour aider à la réparation d’un os de la mâchoire – l’os maxillaire – à base de nanofibres de chitine. Loin d’une notion de transhumanisme, les matériaux développés grâce à ces techniques n’apporteront pas de nouvelles capacités à leurs hôtes, mais ont pour finalité de restaurer les facultés physiques des patients. Malgré cela, l’acceptation est parfois difficile pour ces derniers qui demandent de plus en plus des matériaux n’étant pas d’origine animale, et plus particulièrement d’animaux d’élevage industriel.

Dans ce contexte, les travaux de Susana et de son équipe, autour de la fabrication de biomatériaux issus de la valorisation des déchets de la pêche, prennent une nouvelle dimension dans le processus d’acceptation des matériaux de la part des patients [4 - 5 - 6].

Pour citer cet article : DOI en cours d'obtention

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Bibliographie

  1. [1] FERNANDES Susana C.M., ALONSO- VARONA Ana, PALOMARES Teodoro, ZUBILLAGA Verónica, LABIDI Jalel, BULONE Vincent, « Exploiting Mycosporines as Natural Molecular Sunscreens for the Fabrication of UV-Absorbing Green Materials », ACS Appl Mater Interfaces, 2015, n° 30(7) [lien vers l'article].

    [2] MCREYNOLDS Colin, ADRIEN Amandine, PETITPAS Arnaud, RUBATAT Laurent, FERNANDES Susana C.M., « Double Valorization for a Discard—α-Chitin and Calcium Lactate Production from the Crab Polybius henslowii Using a Deep Eutectic Solvent Approach », Marine Drugs, 2022, n° 20(11) [lien vers l'article].

    [3] CASTEJÓN Natalia, PARAILLOUX Maroussia, IZDEBSKA Aleksandra, LOBINSKI Ryszard, FERNANDES Susana M.C., « Valorization of the Red Algae Gelidium sesquipedale by Extracting a Broad Spectrum of Minor Compounds Using Green Approaches », Marine Drugs, 2021, n° 19(10) [lien vers l'article].

    [4] OLZA Sheila, SALABERRIA Asier M., ALONSO-VARONA Ana, SAMANTA Ayan, FERNANDES Susana M.C., « The role of nanochitin in biologically-active matrices for tissue engineering-where do we stand? », Journal of Materials Chemistry B, 2023, n° 25 [lien vers l'article].

    [5] ZUBILLAGA Veronica, ALONSO-VERONA Ana, FERNANDES Susana M.C., SALABERRIA Asier M., PALOMARES Teodoro, « Adipose-Derived Mesenchymal Stem Cell Chondrospheroids Cultured in Hypoxia and a 3D Porous Chitosan/Chitin Nanocrystal Scaffold as a Platform for Cartilage Tissue Engineering », International Journal of Molecular Sciences, 2020, n° 21(3) [lien vers l'article].

    [6] ZUBILLAGA Veronica, SALABERRIA Asier M., PALOMARES Teodoro, ALONSO-VERONA Ana, KOOTALA Sujit, LABIDI Jalel, FERNANDES Susana M.C., « Chitin Nanoforms Provide Mechanical and Topological Cues to Support Growth of Human Adipose Stem Cells in Chitosan Matrices », Biomacromolecules, 2018, n° 19(7) [lien vers l'article].

    [7] MCREYNOLDS Colin, ADRIEN Amandine, CASTEJÓN Natalia, FERNANDES Susana M.C., « Green in the deep blue: deep eutectic solvents as versatile systems for the processing of marine biomass », Green Chemistry Letters and Reviews, 2022, n° 15(2) [lien vers l'article].

    [8] RUT Fernández-Marín, HERNÁNDEZ-RAMOS Fabio, SALABERRIA Asier M., ÁNGELES ANDRÉS Ma, LABIDI Jalel, FERNANDES Susana M.C., « Eco-friendly isolation and characterization of nanochitin from different origins by microwave irradiation: Optimization using response surface methodology », International Journal of Biological Macromolecules, 2021, n° 186, p. 218-226 [lien vers l'article].

    [9] RUT Fernández-Marín, FERNANDES Susana M.C, ÁNGELES ANDRÉS Maria, LABIDI Jalel, « Halochromic and antioxidant capacity of smart films of chitosan/chitin nanocrystals with curcuma oil and anthocyanins », Food Hydrocolloics, mai 2020, n° 123 [lien vers l'article].