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Matière à vétir : textiles intelligents

Dossier - Matière et matériaux, de quoi est fait le monde ?
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Les matériaux constituent l'horizon sensible de notre vie. Nous les mettons en forme, les travaillons, les utilisons. Un constat s'impose : le vivant et l'inanimé, le naturel et l'artificiel, quelles que soient leurs dimensions, sont tous composés de matière qui résulte de la combinaison d'atomes organisés en structures, hélices, ou pliages de molécules.

  
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Pour diversifier les fonctionnalités de nos vêtements, les scientifiques explorent le monde des nanotechnologies et fixent des éléments de plus en plus petits sur les tissus.

Matière textile. © LoggaWiggler, Pixabay, DP

Ainsi, dans le domaine de la santé, des textiles sont rendus antimicrobiens pour renforcer la protection contre les infections. Étendue à nos vêtements, cette propriété permettrait également d'atténuer leur usure. Et ce n'est qu'un exemple des nouvelles technologies qui commencent à voir le jour en matière de textile !

La peau et sa flore

Pour comprendre les mécanismes de développement de nouveaux textiles antimicrobiens, penchons-nous sur le rôle de la peau qui se trouve à leur contact. La couche la plus superficielle de l'épiderme est spontanément colonisée par de nombreux microorganismes, dont la nature et la concentration varient selon les individus et la partie du corps. Cette flore résidente, en symbiose avec notre organisme, trouve des nutriments dans la sueur et le sébum sécrété par les glandes pilaires, et nous protège contre les bactéries et les champignons potentiellement pathogènes de passage sur notre peau, qui constituent la flore transitaire.

Contrairement à ce que l'on pense, la sueur émise par les glandes sudoripares est incolore et inodore. Elle hydrate l'épiderme par un phénomène osmotique. En s'évaporant, elle participe aussi à la régulation de la température de notre corps. Ce sont les enzymes libérées par les bactéries de notre peau qui sont responsables de la dégradation de la sueur conduisant à des odeurs nauséabondes. L'odeur musquée du maillot d'un sportif après l'effort - ou plus prosaïquement celle de nos chaussettes en fin de journée - témoigne donc de l'activité bactérienne cutanée.

La colonisation des vêtements

Comment ces bactéries arrivent-elles jusqu'au tissu ? Les vêtements que nous portons accrochent les cellules mortes qui se détachent de notre peau. Très vite, nos habits sont contaminés par les bactéries qui peuplent l'épiderme. Une prolifération peut alors commencer, entraînant une dégradation irréversible du tissu. Les enzymes de certaines bactéries sont capables, par exemple, de dégrader la cellulose 10 µprovoquant une détérioration des vêtements en coton. D'autres enzymes libèrent des pigments qui colorent le textile.

Fig. 1. Fibre de coton colonisée par une moisissure (champignon). Les fibres de coton, comme d’autres fibres cellulosiques, sont sujettes aux attaques par des microorganismes capables de digérer la cellulose et d’engendrer une décoloration du tissu, ou d’en modifier la teinte.

Au-delà de la simple apparence du tissu, ce sont surtout les impératifs d'hygiène et de confort qui motivent le développement de nouveaux produits, en particulier dans le milieu hospitalier. Les textiles d'une salle d'opération (draps, pyjama du patient, blouse du médecin, etc.) sont de véritables réservoirs à microbes, parfois responsables d'infections croisées. Les patients les plus fragiles risquent ainsi de contracter des maladies nosocomiales à la suite de leur hospitalisation.

Dans l’intimité des textiles « bioactifs »

Limiter la contamination bactériologique est facile, dans notre société moderne équipée d'antiseptiques puissants. La traditionnelle eau de Javel en est un parfait exemple. Toutefois, des draps lavés à l'eau de Javel sortent décolorés voire endommagés, du fait du pouvoir très oxydant des ions hypochlorites (ClO-) présents dans cette solution de chlore et de soude. Et cela se complique encore pour un tissu près du corps. Il est en effet crucial de préserver le micro-écosystème de la peau, cette fragile barrière de microorganismes résidents dressée contre les bactéries potentiellement nocives de la flore transitaire. Ainsi, un équilibre doit être trouvé pour obtenir un tissu bactériostatique, c'est-à-dire empêchant les bactéries de proliférer, sans pour autant les éradiquer. Il faut aussi veiller à ne pas déséquilibrer la répartition des bactéries en s'attaquant exclusivement à une famille donnée, laissant le champ libre aux autres.
 
Parmi la multitude d'antibactériens employés dans les textiles « bioactifs », citons les zéolithes naturelles et synthétiques. Il s'agit de cristaux de la famille des aluminosilicates alcalins, qui sont liés à des ions de métaux lourds (argent, cuivre ou zinc). Ce sont ces ions métalliques qui, en se détachant des cristaux, détruisent les bactéries avec lesquelles ils sont en contact. Pour comprendre comment, intéressons-nous à la structure des zéolithes (Fig. 2).

Fig. 2. La natrolite, une des nombreuses formes de zéolithes naturelles connues. Dans l’industrie, ce sont essentiellement des zéolithes synthétiques qui sont employées, car leur structure est uniforme et leur composition particulièrement pure. Il est de plus possible de synthétiser des structures adaptées à chaque utilisation particulière.

Ces minéraux contiennent de nombreuses cavités qui, comme des éponges - mais avec des pores nanométriques -, piègent généralement des molécules d'eau. S'ils sont chauffés, l'eau va s'évaporer sans altérer leur forme, d'où leur nom dont l'étymologie serait « pierre qui bout » (du grec zein, « bouillir », et lithos, « pierre »). Après déshydratation, les cavités peuvent à nouveau se remplir d'eau (ou d'autres molécules). Les ions métalliques provoquent alors, au sein des réseaux cristallins, des différences de potentiel qui, bien que très petites, suffisent à effectuer une électrolyse de l'eau. L'oxygène libéré lors de cette réaction favorisera l'oxydation des membranes des bactéries jusqu'à les détruire. Les zéolithes antibactériennes ont donné des résultats très positifs dans la lutte contre les infections contractées en milieu hospitalier.

Comment accrocher une substance active sur un tissu ?

Le cahier des charges d'un tissu antimicrobien est lourd. Lorsque ce dernier est à usage unique, il suffit de pulvériser un composant actif sur les fibres ou de les en imprégner. Mais comment élaborer un textile bioactif résistant aux usages courants et à des lavages à répétition, et ce à efficacité constante ? L'astuce consiste à fixer durablement l'antibactérien en créant des liaisons chimiques fortes entre l'agent actif et la fibre textile. Citons quelques procédés en cours d'étude :

  • pour des fibres synthétiques, mélanger l'antibactérien au polymère fondu, avant le filage, assure le piégeage des molécules actives dans le tissu ;
  • une autre technique consiste à véritablement greffer des molécules antiseptiques sur le matériau. Pour cela, des points d'attache sont créés sur les fibres en les exposant à des faisceaux d'électrons. Il apparaît ainsi des radicaux libres portant des électrons non appariés, qui seront à même de se lier par des liaisons chimiques à des molécules aux propriétés antibactériennes. 

Les nanotechnologies au service des tissus

Des chaussettes massant vos mollets, des pulls rechargeant la batterie de votre lecteur de musique, des chemises permettant de contrôler un ordinateur, des robes lumineuses... Attendez-vous à voir ces habits aux propriétés étonnantes envahir les vitrines de demain !

L'un des nombreux axes de recherche actuels consiste à fixer des nanotubes de carbone sur nos traditionnelles fibres de coton. Selon la fonction recherchée, ces nanotubes sont modifiés par des enzymes capables de libérer des agents soignants par contact avec la peau, ou de protéger contre des agents chimiques toxiques. Les nanotubes de carbone peuvent aussi être déposés de façon à former un réseau de structures nanoscopiques et hydrophobes entourant entièrement les fibres de coton sur une épaisseur d'environ 500 nm, augmentant ainsi de moins de 10 % le diamètre de la fibre.

Les tissus obtenus avec des fibres de coton traitées de la sorte résistent mieux à la déchirure, et deviennent presque aussi hydrophobes que la feuille de lotus. En contact avec une source de chaleur intense, un composé carbonisé amorphe se forme, donnant au tissu une fonction de bouclier thermique qui prendra difficilement feu. Par ailleurs, des fils de coton recouverts de nanotubes de carbone suffisamment purs conduisent assez d'électricité pour allumer une petite diode alimentée par une batterie, tout en garantissant un vêtement souple et agréable à porter. L'association d'une couche conductrice et d'une fibre isolante ouvre ainsi des perspectives pour fabriquer des transistors flexibles. Nous ne sommes qu'à un pas des vêtements électroniques ! 

Enfin, il existe une technique prometteuse consistant à enfermer des molécules actives dans de toutes petites capsules, fixées par exemple par des procédés chimiques similaires à ceux utilisés pour la teinture. Les agents actifs sont libérés progressivement par diffusion à travers la paroi de la capsule ou par rupture de celle-ci suite à un frottement ou un choc. Grâce à ces techniques, les produits développés aujourd'hui promettent un textile antimicrobien pouvant être lavé et réutilisé jusqu'à 100 fois !

En guise de conclusion

Afin d'avancer toujours plus loin dans la recherche textile, les scientifiques de tous horizons doivent nécessairement allier leurs compétences. D'une part, une meilleure connaissance des ressources existant dans la nature permet d'envisager l'exploitation de nouvelles fibres naturelles ou d'élaborer des fibres artificielles rivalisant avec leurs homologues naturels (le Kevlar qui s'approche des prouesses réalisées par le fil d'araignée).

D'autre part, les fibres courantes sont susceptibles d'être améliorées à l'image d'autres matériaux naturels. Enfin, n'oublions pas que l'industrie textile est loin de se limiter à l'habillement. En médecine, il existe ainsi des prothèses vasculaires faites de fibres de polyester tricotées. Dans des domaines aussi variés que le transport, le sport ou la construction, des matériaux composites sont couramment élaborés à partir de textiles.