Les matériaux poreux sont essentiels à de nombreux processus chimiques, tels que la récupération de la lumière, l’adsorption, la catalyse, le transfert d’énergie et même les nouvelles technologies pour les matériaux électroniques. De nombreux efforts ont donc été déployés pour contrôler la porosité des différents matériaux fabriqués.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences ont récemment démontré une nouvelle technologie microfluidique qui permet de générer des émulsions avec un contrôle dynamique du volume des gouttelettes pour modifier à grande échelle la composition chimique de la matrice imprimée en 3D. en utilisant des buses alignées pour fournir des matériaux poreux avec une porosité entièrement contrôlée.
Les matériaux poreux dont la forme et la taille des pores sont contrôlées sont très demandés dans un large éventail de domaines, de la synthèse chimique et de la recherche environnementale au secteur de la production d’énergie. En fonction de la composition chimique du matériau, la porosité peut être obtenue par moussage, extrusion, coulée en barbotine, granulation, électrofilage, séchage par pulvérisation, granulation, émulsification et de nombreuses autres méthodes, y compris lorsque la liste des méthodes de fabrication est beaucoup plus longue.
Quelle que soit la technique utilisée, le contrôle de la taille et de la forme des pores au sein de ces techniques présente encore plusieurs limites. Quelle que soit la forme des pores, cavités, canaux ou fissures, cylindriques, en forme de bouteille d’encre ou d’entonnoir, sphériques ou autres, contrôler leur taille, leur forme et leur répartition progressive dans le matériau reste un défi. Surtout lorsqu’il s’agit de préparer des structures fonctionnelles à grande échelle.
Cependant, grâce à la conception d’un nouveau module microfluidique proposé par des chercheurs de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences (IPC PAS), il est possible de produire des matériaux poreux avec une taille de pore contrôlée et une distribution dans tout le volume du matériau synthétisé. matériel.
Les chercheurs ont combiné le dispositif microfluidique avec une imprimante 3D personnalisée, grâce à laquelle la génération et l’extrusion d’une émulsion huile dans l’eau dans un bain de gel d’agarose, suivie d’une polymérisation, ont permis de contrôler la structure unique de l’hydrogel imprimé en 3D.
Néanmoins, tout a commencé avec l’application de technologies microfluidiques qui permettent de contrôler le flux de fluides non miscibles dans de minuscules microcanaux pour générer de petites gouttelettes d’un volume constant allant du femtolitre au nanolitre. Bien que cette technologie soit bien connue dans le monde entier et ait été largement développée depuis trois décennies, la plupart des méthodes produisent des gouttelettes dont le volume dépend fortement des débits.
En raison de cet aspect, contrôler le diamètre des gouttelettes lors de l’extrusion 3D de l’émulsion est une tâche difficile puisque le débit doit être maintenu constant. Dans un article récent publié dans la revue Lab on the Chip, des chercheurs de l’IPC PAS ont suggéré une nouvelle technologie microfluidique pour contrôler dynamiquement le diamètre des gouttelettes sans modifier le taux d’extrusion des phases émulsionnées.
Les scientifiques ont combiné une technologie existante (émulsification par étapes) avec une membrane flexible qui permettait de modifier la géométrie de la buse en ajustant la pression sur la membrane. Une diminution de la hauteur de la buse a réduit le diamètre des gouttelettes sur trois ordres de grandeur et a été testée avec succès pour différents débits.
Cette étape réglable (également connue sous le nom d’étape de thon) a permis de générer des émulsions huile dans eau (H/E) et eau dans huile (E/H) avec des changements dans la taille des gouttelettes et la fraction volumique tout en maintenant un taux d’extrusion constant. .
Le Dr Marco Costantini affirme : « Dans notre travail, nous avons démontré comment le changement de géométrie de la buse peut contrôler la taille des gouttelettes et la fraction volumique. Ici, nous avons d’abord analysé comment l’étape du thon peut être utilisée efficacement à la fois pour la production d’E/S et de Émulsions H/E, cette dernière étant possible grâce à une stratégie innovante de modification de surface en PDMS hydrophile que nous avons également développée.
« Ensuite, nous avons intégré l’étape de thon dans une plate-forme d’impression 3D personnalisée et extrudé des émulsions H/E dans un bain fluide-gel d’agarose granulaire. Cette stratégie permet de séparer davantage les propriétés rhéologiques de l’encre en émulsion de son imprimabilité et d’obtenir des résultats spatiaux précis. positionnement pendant le processus d’extrusion.
Puisque deux configurations différentes ont été utilisées pour créer des émulsions huile dans eau, les chercheurs ont créé une modification hydrophile personnalisée de la surface de la puce avec du polydiméthylsiloxane (également connu sous le nom de PDMS) pour l’empêcher de gonfler lorsqu’elle est exposée à des solvants organiques tels que l’hexadécane.
Cette procédure nous a permis de générer des gouttelettes d’huile dans l’eau en continu pendant près de 24 heures, ce qui, combiné à la technologie d’impression 3D, a permis l’impression combinée à la polymérisation de matériaux fonctionnellement classés de porosité et de composition variables. Jusqu’à présent, avec le dispositif expérimental proposé, la combinaison de gradients de composition, de microarchitecture ou des deux types de gradients dans un seul matériau peut créer de nombreux types de matériaux différents présentant des caractéristiques structurelles et fonctionnelles distinctives.
Les résultats décrits ci-dessus montrent non seulement que notre conception en étapes de thon est adaptée à l’impression 3D d’émulsions et à la science des matériaux, mais démontrent également de futures applications potentielles. De plus, l’impression 3D peut être réalisée à l’aide de plusieurs buses simultanément, faisant de la configuration proposée un outil polyvalent pour produire des matériaux poreux.
« Notre conception polyvalente nous a permis de réaliser en outre un dépôt 3D multi-matériaux en basculant rapidement entre différentes phases continues. Enfin, nous avons démontré le potentiel d’évolutivité de notre étape de thon en produisant des gouttelettes à l’aide d’un dispositif à 14 buses, augmentant ainsi le débit du système d’un facteur de ∼14, un aspect particulièrement important pour la fabrication d’hydrogel macroscopique avec une porosité contrôlée dans tout le volume », remarque le Dr. Marco Costantini.
Pourquoi une porosité contrôlée est-elle si importante ? Comme mentionné, de nombreux secteurs s’occupent de cette fonctionnalité, de l’énergie, comme la matrice poreuse pour les supercondensateurs, aux biocomposants de renforcement des tissus mous. Le projet proposé nous rapproche de la production facile de sous-structures poreuses de conception contrôlée, un peu comme les implants osseux ou cartilagineux à porosité progressive, mais la liste des matériaux pouvant être produits à l’aide de la technologie proposée est certainement beaucoup plus longue.
Les résultats sont publié dans la revue Laboratoire sur puce.
Plus d’information:
Francesco Nalin et al, Tuna-step : émulsification par étapes parallélisée réglable pour la génération de gouttelettes avec contrôle dynamique du volume pour imprimer en 3D des matériaux poreux fonctionnellement classés, Laboratoire sur puce (2023). DOI : 10.1039/D3LC00658A