Des micro-objets 3D auto-façonnés par la courbure contrôlée de films plastiques

La fabrication  d’objets de taille microscopiques de forme déterminée est très difficile, souvent impossible. Des chercheurs de l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse, CNRS, France et du Karlsruhe Institute of Technology, Eggenstein-Leopoldshafen, Allemagne, ont réussi à exploiter les contraintes pouvant exister dans un matériau à multicouches. Ils ont obtenu que des films  bi-couches de PDMS dopés à l’huile de silicone s’auto-façonnent en objets 3D, micro-tubes ou micro-cages,  quand on dissout l’huile dans un solvant.  

Fig.1. Photo d'un objet à trois dimensions en PDMS obtenu par auto-façonnement

Fig.1. Photo d’un objet à trois dimensions en PDMS obtenu par auto-façonnement.                                                                                                  Reproduit de Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature,  A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov Soft Matter, 2016, 12, 45-52 avec autorisation.

 

 

Le PDMS est l’appellation commune du polydiméthylsiloxane ou diméthicone, de formule [O-Si(CH3)2]n , polymère organo-minéral de la famille des silicones. Sa structure chimique est figurée ci-dessous.pdms-structure_500_1   Crédit Wikipedia CC 4.0

La courbure spontanée de films bicouches particuliers

C’est en déclenchant la courbure spontanée de films  bicouches de PDMS que les scientifiques ont obtenu des micro-objets s’assemblant sous l’effet de contraintes internes. Cette courbure permanente et spontanée s’obtient par une architecture spécifique : on superpose à une première couche  de PDMS pur une  deuxième couche qui y adhère et qui est préparée en y incorporant une fraction précise et contrôlée d’huile de silicone. L’extraction de cette huile par plongée dans un solvant organique comme le chloroforme ou l’alcool isopropylique conduit au raccourcissement de la couche concernée. La deuxième couche s’oppose à cette déformation  et il en  résulte sous l’action des contraintes induites dans le matériau une déformation en dehors du plan de celui-ci. En ajustant la fraction d’huile incorporée, on peut contrôler l’intensité de la déformation. L’épaisseur de chacune des couches est de 0,5 mm. La figure 2 ci-dessous résume ces opérations.

Fig.2. Schéma de la fabrication d'un micro-objet 3D à partir de films bicouches de PDMS a-c) obtention de la courbure spontanée d) Film déformé sphériquement (photographié ici sur un support réfléchissant) e) Déformation cylindrique Reproduit de Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature† A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov Soft Matter, 2016, 12, 45--52 avec autorisation.

Fig.2. Schéma de la fabrication d’un micro-objet 3D à partir de films bicouches de PDMS
a-c) Obtention de la courbure spontanée. On a figuré en bleu la couche de PDMS pur et en rose la couche de PDMS contenant de l’huile de silicone.
d) Film déformé sphériquement (photographié ici sur un support réfléchissant)
e) Déformation cylindrique.
Reproduit de Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature,  A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov,  Soft Matter, 2016, 12, 45-52 avec autorisation.

Des formes plus complexes grâce à la découpe de contours

En découpant un contour sur un film à courbure spontanée, on aboutira à une multitude de formes à 3 dimensions. Cela fait penser à l’art japonais de découpe et de pliage du papier, le kirigami. Mais, ici, il n’y a pas de pliage mais une courbure. La figure 3 ci-dessous montre deux exemples d’auto-façonnement de structures 3D à partir de découpes sur du film de PDMS à courbure spontanée.

Fig.3. Auto-façonnement de structures 3D à partir de figures 2D. a)La fraction volumique d'huile dans la couche supérieure du film bicouche de PDMS est x = 0,2; b) La fraction volumique d'huile dans la couche supérieure du film bicouche de PDMS est x = 0,4 Reproduit de Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature† A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov Soft Matter, 2016, 12, 45--52 avec autorisation.

Fig.3. Auto-façonnement de structures 3D à partir de figures 2D.
a) La fraction volumique d’huile dans la couche supérieure du film bicouche de PDMS est x = 0,2;
b) La fraction volumique d’huile dans la couche supérieure du film bicouche de PDMS est x = 0,4
Reproduit de Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature, A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov, Soft Matter, 2016, 12, 45-52 avec autorisation.

Des sphères telles que celles de la Fig.3. b  peuvent avoir un intérêt pratique si on les réalise à une échelle plus petite et qu’on les utilise comme des réservoirs de cellules vivantes ou de médicaments à administrer dans le sang.

On peut aussi programmer la courbure spontanée d’objets 3D en modifiant la distribution de la couche supérieure PDMS + huile de silicone et en la rendant inhomogène. On peut ainsi obtenir des zones spécifiques de courbure correspondant à des domaines localisés de PDMS+huile de silicone.

Enfin, les chercheurs ont adapté leur méthode pour obtenir des microtubes cylindriques quasi parfaits d’un diamètre intérieur allant de 50 à 100 µm. Le solvant utilisé est alors l’alcool isopropylique qui, à la différence du chloroforme n’empêche pas d’utiliser les tubes dans des applications biologiques.

 

 

Pour en savoir plus :

Polydimethylsiloxane bilayer films with an embedded spontaneous curvature,  A. I. Egunov, J. G. Korvink and V. A. Luchnikov

Soft Matter, 2016, 12, 45-52

 

 

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