Vers des impressions 4D au comportement programmable

L’impression 3D a révolutionné la fabrication en permettant de produire rapidement des objets complexes à partir d’un modèle numérique. Mais une nouvelle étape se dessine pour la fabrication additive : celle de l’impression dite « 4D ». Cette fois, les objets continuent d’évoluer de façon contrôlée après leur fabrication sous l’effet d’un stimulus extérieur comme la température, la lumière ou le taux d’humidité. C’est la 4^ème dimension de l’objet imprimé en trois dimensions par impression 4D. Robotique souple, médecine personnalisée, ingénierie tissulaire… autant de domaines où l’impression 4D suscite de nombreuses attentes pour sa capacité à produire des objets au comportement évolutif et programmable. A ce jour, son utilisation se limite pourtant essentiellement à des preuves de concept de laboratoire, en partie par manque d’étude systématique qui explore cette 4^ème dimension pour en comprendre et prédire de manière contrôlée les effets.

Les hydrogels sont un exemple typique de matériau aux propriétés évolutives compatible avec l’impression 4D. Constitués de chaînes de polymères hydrophiles reliées entre elles pour former un réseau, les hydrogels se distinguent par leur impressionnante capacité à gonfler ou à se contracter en fonction de l'absorption ou de la perte d'eau. Bien que leur comportement 4D ait été largement observé, rares sont les études permettant de quantifier, de modéliser et de programmer ces déformations. Dans ce contexte, des scientifiques de l’Institut des sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace) et de l’Institut Charles Sadron (CNRS/INSA Strasbourg/Université de Strasbourg) proposent une méthodologie reposant à la fois sur une caractérisation expérimentale approfondie et le développement d’un modèle numérique afin de prédire les propriétés 4D d’objets imprimés en hydrogel.

« L’encre » modèle utilisée pour imprimer ces hydrogels est un mélange d’un précurseur polymère hydrophile portant des fonctions réactives à ses deux bouts (le poly(éthylène glycol)diacrylate ou PEGDA), d’eau et d’un photoamorceur qui génère des espèces réactives sous illumination. Ce mélange peut être imprimé en 3D dans différentes formes gélifiées par la technique dite de Traitement numérique de la lumière (Digital Light Processing en anglais). Le comportement évolutif des objets obtenus dépend fortement de trois paramètres : la proportion d’eau incorporée dans la formulation initiale, la géométrie de l’objet et son séchage ou non juste après fabrication. Ainsi, certains objets gonflent de près de 180 % après immersion dans l’eau, tandis que d’autres se déforment beaucoup plus modestement.

Les scientifiques ont également démontré qu’il était possible de programmer la direction de ces déformations. En associant différentes couches d’hydrogels aux propriétés de gonflement distinctes, ils ont obtenu des mouvements prédictibles : des objets initialement plats se courbent vers l’intérieur ou l’extérieur, se transforment en spirales ou adoptent des formes en « S ». Les prédictions théoriques ont été confirmées expérimentalement, puis reproduites grâce à des simulations numériques capables d’anticiper les changements de forme observés.

Au-delà de la prouesse technique, ces travaux, publiés dans Additive Manufacturing, fournissent une véritable méthodologie pour concevoir des objets 4D dont le comportement est programmable. Les auteurs envisagent déjà plusieurs applications potentielles, notamment en robotique, où des structures pourraient s’orienter ou se déployer automatiquement au contact de l’eau, mais aussi dans le domaine pharmaceutique, où la vitesse de diffusion d’un médicament pourrait être ajustée grâce au contrôle fin des propriétés de gonflement. Une étape importante vers des matériaux fabriqués à la demande, capables d’agir et de s’adapter à leur environnement.

Rédactrice : Anne-Valérie Foillard Ruzette