La nano-imprimante 3D multimatériaux permet une percée dans la synthèse parallèle

Les recherches du Dr Felix Löffler ont été récompensées par deux distinctions très prestigieuses. La société allemande à but non lucratif pour le génie chimique et la biotechnologie lui a décerné le prix DECHEMA (20 000 euros). En outre, il a été accepté dans le programme Heisenberg de la Fondation allemande de la recherche pour lancer sa carrière de professeur universitaire. Depuis qu'il a rejoint l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces en 2017, Löffler, physicien de formation, a apporté sa vision créative au génie chimique, à la biotechnologie et à la science des matériaux. Son portefeuille scientifique comprend plus de 60 articles et plus de 3,5 millions d'euros de financement de la recherche. Nous nous sommes entretenus avec lui pour savoir comment il fait des vagues dans différentes disciplines depuis son bureau et son laboratoire de Golm, dans le Brandebourg, en Allemagne, et où sa passion pour le dépassement des frontières disciplinaires le mènera à l'avenir.

Félicitations, Dr Löffler ! Votre avancée la plus remarquée est la nano-imprimante 3D multimatériaux. De quoi s'agit-il ?

Basée sur une technologie innovante, la nano-imprimante multimatériaux 3D nous permet d'assembler des composés chimiques complexes en trois dimensions à l'échelle nanométrique - des milliards de fois plus petite qu'un cheveu humain. Le fonctionnement est similaire à celui d'une vieille machine à écrire. Au lieu d'utiliser une tige métallique pour transférer l'encre d'un ruban au papier, un laser transfère des taches d'encre en polymère d'une couche donneuse à une surface réceptrice. Ces minuscules taches d'encre solide peuvent contenir différents composants chimiques. Cette méthode élimine le besoin de solvants liquides généralement utilisés dans la synthèse chimique ; et comme le polymère solide protège les produits chimiques fragiles de l'environnement, nous pouvons éviter des problèmes tels que l'évaporation ou les déversements. Un faisceau laser transfère ensuite le polymère dans un motif souhaité sur une surface cible à partir de différents donneurs, chacun contenant un bloc de construction différent. Ensuite, le modèle de polymère est brièvement fondu afin que les blocs de construction puissent réagir les uns avec les autres sur la surface pour former de nouvelles molécules - tout comme des briques de Lego qui se combinent pour former des pièces complexes.

Qu'est-ce qui rend la synthèse avec la nano-imprimante si révolutionnaire ?

Sans réactions chimiques, rien ne se passerait en nous et autour de nous. Notre corps et tous les êtres vivants fonctionnent grâce à ces réactions, tout comme la production de matériaux. Avec la nano-imprimante, nous pouvons déclencher des réactions chimiques avec moins de molécules de départ, très rapidement et à un coût bien moindre. Plus intéressant encore, nous pouvons utiliser la chaleur du laser pour synthétiser pendant l'impression, ce qui constitue une alternative précise, rapide et évolutive à la synthèse traditionnelle réalisée dans des flacons et des béchers. Les scientifiques pourront effectuer des centaines de milliers de réactions en même temps.

Pouvez-vous nous donner quelques exemples de la façon dont votre nano-imprimante peut devenir un outil précieux dans chaque laboratoire ?

Tout comme nous feuilletons des livres pour trouver des réponses à de nombreuses questions, les chercheurs en sciences naturelles consultent des chimiothèques composées de nombreux échantillons. Qu'il s'agisse d'étudier les fonctions cellulaires, de rechercher de nouveaux matériaux ou de mettre au point des composants pour de futurs médicaments et vaccins, la nano-imprimante permet une synthèse chimique rapide et fiable. Qui plus est, elle le fait en miniature, sur une très petite surface. Imaginez des scientifiques de différents domaines, comme des chefs cuisiniers à la recherche de la combinaison parfaite de texture, de goût et d'odeur pour leurs réactions. Grâce à la nano-imprimante, ils ont accès à des milliers d'étagères d'ingrédients pré-mélangés, le tout sur une lame de verre qui tient sous un microscope. Combiner ces ingrédients et tester leurs propriétés jusqu'à ce qu'ils trouvent la recette parfaite devient plus rapide et plus rentable. Et une fois qu'un prototype de molécule approprié est obtenu, il peut être reproduit efficacement. Pour vous donner une idée, la synthèse traditionnelle d'un seul composé ou matériau en laboratoire peut prendre plusieurs semaines. Avec notre technologie, nous pourrions en produire des millions dans le même laps de temps.

Vous travaillez dans le département des systèmes biomoléculaires de Peter Seeberger, qui est spécialisé dans la recherche de nouveaux vaccins et médicaments. Comment votre nano-imprimante contribue-t-elle à ces objectifs spécifiques ?

Dans notre département, les chimistes synthétisent des sucres complexes qui constituent les éléments de base de futurs vaccins et médicaments potentiels. Mais il s'agit d'un processus lourd, notamment parce que ces sucres sont incroyablement polyvalents dans leur structure. La nano-imprimante peut réaliser 100 000 synthèses sur une seule petite lame de verre et ainsi raccourcir le chemin entre le laboratoire et les essais cliniques. En fait, nous avons déjà transféré notre technologie à la société PEPperPRINT, qui l'utilise pour produire des réseaux de fragments de protéines.

Y a-t-il une autre application spécifique sur laquelle vous avez travaillé et que vous aimeriez partager avec nous ?

Jusqu'à présent, nous avons parlé d'applications dans le domaine de la science des matériaux et de la recherche de vaccins potentiels. Mais la nano-imprimante offre également une solution au problème très répandu de la contrefaçon de produits. Nous avons appliqué notre méthode "synthétiser comme on imprime" à un simple sucre de glucose et généré des motifs fluorescents qu'il est pratiquement impossible de reproduire. À mesure que le sucre caramélisait, nous avons affiné la chaleur du laser pour contrôler la couleur fluorescente du motif imprimé et même induire des micro et nanomodèles aléatoires chaotiques. L'utilisation du caramel pour lutter contre la contrefaçon rend cette technologie non seulement peu coûteuse, mais aussi respectueuse de l'environnement. En fait, ces motifs sont tellement aléatoires qu'ils sont uniques et impossibles à reproduire. Imaginez des codes QR 3D colorés qui peuvent être lus à l'aide de techniques spéciales mais qui ne peuvent pas être falsifiés, de sorte que vous puissiez être sûr que votre médicament a passé tous les contrôles de sécurité nécessaires avant d'arriver au comptoir de votre pharmacie locale.

Quels sont vos projets pour l'avenir ?

Je pense qu'il y a encore beaucoup à explorer avec la nano-imprimante. Avec une pincée de créativité, son mécanisme peut être utilisé pour agencer les composants chimiques de manière infinie afin de répondre à des besoins en matière de recherche fondamentale et dans des domaines plus appliqués. Une idée, par exemple, est d'imprimer dans la quatrième dimension - le temps - pour créer ce que nous appelons des matériaux souples réactifs. Ces matériaux peuvent adapter leur forme, leur couleur et leur rigidité en réponse à des stimuli externes et peuvent être utilisés dans de nombreux domaines, de la biomédecine à la robotique. Une autre application que je souhaite étudier est l'impression de nanomatériaux inorganiques. Par exemple, en incorporant des particules magnétiques dans les structures imprimées, nous pourrions concevoir des nanorobots qui fonctionnent dans des environnements changeants. Dans les années à venir, je m'efforcerai de construire des systèmes artificiels ou biohybrides qui ressemblent à la vie.

Que représentent le prix DECHEMA et la bourse Heisenberg pour votre carrière ?

Ces prix sont un grand honneur et une fantastique reconnaissance de mon travail. La bourse Heisenberg du DFG finance un poste de cinq ans menant à la titularisation. Le fait de recevoir la validation des universitaires et des professionnels de l'industrie par l'intermédiaire de DECHEMA me motive encore plus à poursuivre mes recherches.

Maintenant que nous en savons plus sur vos recherches, racontez-nous comment vous en êtes venu à étudier la physique

C'est une histoire que j'aime toujours raconter. J'étais partagé entre les études de physique et de médecine, même après avoir soigneusement vérifié les programmes d'études et visité les facultés potentielles. J'ai décidé de jouer à pile ou face, et je me souviens encore très bien de la scène, entouré d'amis. En fin de compte, je suis heureuse de mon choix et je n'ai jamais hésité à apprendre d'autres disciplines. J'ai par exemple été chercheur invité au département des maladies infectieuses et de la vaccinologie de l'université de Californie à Berkeley, et chercheur principal dans des départements allant de l'ingénierie à la chimie.

La recherche fondamentale comporte le mot "fun". Qu'est-ce qui vous plaît le plus dans votre travail ?

Sans aucun doute, le fait de travailler avec tant de jeunes et brillants esprits venant d'horizons divers, à la fois en termes de discipline et de culture universitaire. J'aime l'esprit d'équipe, le fait de travailler ensemble pour résoudre un problème commun, en sachant que nos efforts quotidiens peuvent, en perspective, aider à résoudre des problèmes qui ont un impact sur la société dans son ensemble. Sans le dévouement de mon équipe exceptionnelle, les bons moments et le soutien de mon mentor, le professeur Peter H. Seeberger, ainsi que de mes collègues du département et de l'institut, rien de ce que j'ai accompli n'aurait été possible. Je suis extrêmement reconnaissant d'avoir travaillé avec eux.

Comment trouvez-vous l'inspiration ? Êtes-vous aussi éclectique dans votre vie quotidienne que dans le laboratoire ?

Composer et jouer de la musique a toujours été ma pause dans le travail. Cela m'aide à reprendre mes recherches avec un esprit neuf. Lorsque je ne suis pas au laboratoire, j'ai tendance à suivre une routine et à passer du temps avec ma famille et mes amis. La musique et la science sont mes lieux de bonheur créatif où je peux laisser vagabonder mon imagination !

Si vous pouviez changer de métier pour un jour, lequel choisiriez-vous et pourquoi ?

Bien que j'aie toujours voulu poursuivre une carrière universitaire, je me suis souvent demandé à quoi ressemblerait une carrière professionnelle dans le domaine du sport ou de la musique. Grâce à DECHEMA et au programme Heisenberg de la DFG, je pense pouvoir repousser ce scénario de carrière alternative jusqu'à la retraite !