Spectroscopie Raman couplée à la traction uniaxiale : la soie comme modèle de biomatériaux fibreux M. Wojcieszak1, A. Percot1, H-M. Dinh1, G. Gouadec1, C. Paris1, Ph. Colomban1, B. Mauchamp2 1 Laboratoire de Dynamique, Interactions et Réactivité (LADIR), UMR 7075 CNRS - Université Pierre et Marie Curie Paris 6 (UPMC) 2 BF2i, Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) / Institut National des Sciences Appliquées (INSA), 69621 Villeurbanne marine.wojcieszak@gmail.com Introduction Biomatériaux étudiés Bombyx Mori : cocons décreusés ou non, glandes, films, composites OGM de vers à soie : Bombyx Mori modifiés avec un gène d’araignée Soie de Nephila Madagascariensis : fils d’araignée (spidroïne) Soie bactérienne : produite par Escherichia coli modifiée génétiquement (4RepCT) (synthétisée par le centre biomédical de l’université des sciences agronomes en Suède) La soie apparait comme un modèle simple pour améliorer la compréhension des conformations et des signatures spectrales des fibres protéiques constitutives des ligaments, des paroies artérielles... Pour des applications de haute technologie (majoritairement biomédiales), la soie présente un fort potentiel remplaçant avantagement certains biomatériaux comme le collagène. Objectifs de l’étude : ► Caractérisation mécanique de la soie comme système modèle de protéine fibreuse ► Etude de la variabilité intrinsèques et extrinsèque des fibres de soie Larve de Bombyx Mori Composition de la soie Couplage mécanique-spectroscopie Raman Soie de Bombyx Mori Gaine de séricine 2 brins de fibroïne Colle et protection À l’origine des propriétés mécaniques Soie de Nephila Madagascariensis : Spidroïne Photographies du dispositif expérimental  ~ 20 µm  ~ 5 à 10 µm La fibre est maintenue entre deux morceaux de papier bristol grâce à de la colle néoprène, la jauge étant de 30 mm. (Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)n Les soies sont des polyamides construits à partir d'acides aminés, principalement d'alanine et de glycine majoritairement organisés en feuillets β (insolubilité, cristallinité). - Résultats expérimentaux Nephila Madagascariensis Bombyx Mori Acide aminé 4RepCT Sericine Fibroïne Spidroïne Glycine(GLY, G) 20.97 13.9 43.7 37.1 Alanine (Ala, A) 29.59 5.9 28.8 21.1 Pourcentages Alanine et Glycine Caractérisation des échantillons par mécanique et micro-spectroscopie Raman chariot mobile moteur capteur mors fixe type V Traitement chimique aggressif: Fracture plateau a/b cf kératine, fibre fraîche lubrifiant  eau 5 10 15 20 25 200 400 600 Nephila, BM Décreusé, sec, âgé in vivo type IV type III type II type I Charge (MPa) Allongement (%) Variabilité intrinsèque du comportement mécanique C-C 1500 1550 1600 1650 1700 Intensité Raman Nombre d'onde (cm -1 ) α’ Bombyx Mori 0% Bombyx Mori 0% Schéma de la machine de traction uniaxiale δC-C Informations sur les distances inter et intra-segment Informations sur la conformation des protéines et les changements structuraux Modes de réseau Informations sur les chaînons vibrationnels ordonnés N-H cristallins β α Intensité Raman N-H cristallins Instrument : LabRam HR 800 Laser : 514 nm Réseau : 1800 tt/mm Puissance au niveau de l’échantillon : 1 à 2 mW Objectif : x50 (LWD) Fente : 300 μm 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 Fibre Fraiche Saturée en eau Type III N-H cristallins Nombre d'onde (cm -1 ) β α β β α' α' α α α' ( ) Conclusions Les premiers résultats montrent que les propriétés mécaniques remarquables des soies naturelles sont directement liées à leur organisation structurale, on observe ainsi une corrélation entre comportements nano et macromécaniques, on peut citer : la sensibilité des liaisons N-H à l’étirement de la fibre. Dans le cas du Bombyx Mori, on observe un déplacement de la bande vers de plus hauts nombres d’onde, c‘est à dire un allongement de la liaison N-H…O. La déformation de la bande amide I correspondrait à un déroulement des hélices c’est-à-dire une transition hélices α → feuillets β. le déplacement des bandes liées aux liaisons C-C. Ce décalage peut-être dû à des modifications au niveau des longueurs des liaisons, des angles de liaisons et à des rotations angulaires de la chaine polypeptidique. la modification génétique du ver à soie ne confère pas de meilleures propriétés mécaniques à la soie. Nombre d’onde (cm-1) Attributions 4RepCT Neph mada Bm Bmd   642 641 Amide IV, cycle aromatique de la tyrosine 827 829 826 Doublet, résonnance de Fermi de la Tyrosine 851 853 905 903 - C-C, C-N, CH3 r, δC-N-C, C=O 1005 1000 Cycle aromatique Phénylalanine (F) et Tyrosine (Y) (respiration) 1067 C-C 1081 C-C, feuillet β, conformation désordonnée , δCH3 1092 1090 δCH3, δC-C 1230 1227 Amide III, feuillet β, δCH2 (torsion) 1240 1239 Amide III, B2 symmetry, δC-H, N-H ib, C-N 1263 Amide III, désordonné et δCH2 1451 1446 1450 CH3 ab in poly(A), CH2 b dans le poly(AG), δCH2 1615 1613 Cycle aromatique Phénylalanine (F) et Tyrosine (Y) 1668 1666 1664 Amide I ; C=O en feuillets β 2800-3100 C-H 3290 N-H Références : Ph. Colomban, H.M. Dinh, A. Bunsell, B. Mauchamp, J. Raman Spectrosc. 43 (2011) 425-432 Ph. Colomban, H.M. Dinh, J. Raman Spectrosc. 43 (2012), DOI: 10.1002/jrs.3122 Ph. Colomban, A. Tournié, H.M. Dinh, V. Jauzein, J. Raman Spectrosc. 43 (2012), DOI: 10.1002/jrs.3122