Poroviscoelasticité et flambage mécanique des hydrogels d’agarose

Les hydrogels d’agarose sont constitués de brins semi-flexibles connectés et présentent une microstructure gorgée d’eau. Malgré une utilisation intensive dans les biotechnologies et de nombreuses études sur les propriétés élastiques des hydrogels d’agarose, on en sait peu sur le comportement poro-visco-élastique et les changements microstructuraux de tels réseaux fibrillaires sous compression uni-axiale. Une équipe du CRPP a étudié de manière approfondie la réponse mécanique de cylindres d’agarose pré-moulés de taille centimétrique sous compression uni-axiale sur une plage étendue de vitesses de chargement (0.1 µm/s – 103 µm/s) et de concentrations en agarose (0.5 g% – 23 g%). Une analyse spatio-temporelle des variations de volume du cylindre sous compression uni-axiale a permis de mesurer sans ambiguïté le coefficient de Poisson en régime linéaire. Le gel est incompressible pour une vitesse de déformation supérieure à 0.7 %s-1. La réponse est typique d’un mode de déformation dominé soit par la flexion des brins semi-flexibles (régime enthalpique), soit par l’étirement du réseau (régime entropique) à plus forte concentration en agarose c > 3 g%. La transition vers le régime non-linéaire compressible se produit pour une déformation critique εc en compression de seulement quelques pourcent due au flambage des brins semi-flexibles (régime enthalpique) ou des pores semi-flexibles (régime entropique). Des expériences de rhéologie dynamique sous des oscillations de cisaillement de faible amplitude montrent par ailleurs une chute du module élastique du gel sous faible compression et confirment le flambage mécanique de la microstructure, indépendamment de la topologie ou de la connectivité du réseau. La présente contribution montre pour la première fois combien le flambage des réseaux fibrillaires semi-flexibles induit soit par de faibles déformations mécaniques ou par le vieillissement thermique influent sur le comportement poro-visco-élastique et la réponse non linéaire complexe des hydrogels de biopolymère.

Figure : Compression uni-axiale d’un gel cylindrique d’agarose dans l’eau (a,b) et représentation spatio-temporelle des variations du diamètre D(ϵ) et du gel (c). Coefficient de Poisson ν (d) et taux de déformation critique εc (e) du gel sous faible compression en fonction de la concentration en agarose

Article paru sur le site de l’INC

Article publié dans Rheologica Acta 60(5) 2021

Auteurs :

A. Ed-Daoui

Laboratoire de Physique Théorique, de Particules, Modélisation et Energétique (LPTPME), Facultés des Sciences, Université Mohammed Premier, Oujda, Morocco

Patrick Snabre

CNRS, UMR 5031, 115 Avenue Schweitzer, 33600 Pessac, France