Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

Résumé Technique : Caractérisation Structurelle et Morphologique des Fibres de Soie Tussar et Bivoltine

Énoncé du Problème
Les fibres de soie, composées principalement de fibroïne et de séricine, sont prisées pour leur combinaison unique de résistance mécanique, de flexibilité et de biocompatibilité. Cependant, différentes variétés de soie possèdent des propriétés physico-chimiques distinctes dictées par leurs profils d'acides aminés et leurs organisations moléculaires spécifiques. Bien que la soie Tussar (sauvage, issue d'espèces Antheraea) et la soie Bivoltine (domestiquée, issue de Bombyx mori) soient toutes deux technologiquement significatives, leurs différences fondamentales de réponse aux stimuli physiques externes, particulièrement l'irradiation électromagnétique, ne sont pas bien comprises au niveau microstructural. La littérature existante se concentre largement sur des types de soie uniques ou des films traités chimiquement, laissant un vide de connaissances concernant la réponse comparative des fibres naturelles Tussar et Bivoltine sous des conditions d'irradiation identiques. Cette étude répond à la nécessité de comparer systématiquement ces deux variétés afin d'optimiser leur sélection pour l'ingénierie textile avancée, les échafaudages biomédicaux et la conception de composites fonctionnels.

Méthodologie
L'étude a employé une analyse comparative des fibres de soie Tussar et Bivoltine provenant d'institutions gouvernementales certifiées en Inde. Le plan expérimental comprenait :

1. Préparation des Échantillons : Les fibres ont été nettoyées, séchées et divisées en groupes témoins (non traités), irradiés pendant 5 minutes et irradiés pendant 10 minutes.
2. Irradiation : Les échantillons ont été soumis à une irradiation micro-ondes contrôlée (2,45 GHz, 1000 W) pendant 5 et 10 minutes.
3. Techniques de Caractérisation :
   • Diffraction des Rayons X (XRD) : Utilisée pour évaluer la cristallinité, identifier les structures en feuillets $\beta$ et calculer la taille des cristallites, la déformation du réseau, la densité de dislocations et l'espacement interplanaire à l'aide de l'équation de Scherrer et de la méthode de Williamson-Hall.
   • Spectroscopie de Transformée de Fourier dans l'Infrarouge (FTIR) : Utilisée pour analyser les liaisons chimiques, les groupes fonctionnels et la préservation de l'ossature protéique (bandes Amide I, II et III).
   • Microscopie Électronique à Balayage (MEB) : Employée pour observer la morphologie de surface, l'alignement fibrillaire et l'intégrité structurelle.
   • Tests Mécaniques : La charge de rupture, l'allongement et la ténacité ont été mesurés pour évaluer l'intégrité structurelle et la capacité de charge.

Contributions Clés et Résultats
L'étude révèle des divergences structurelles et mécaniques distinctes entre les deux types de soie lors de l'exposition aux micro-ondes :

• Cristallinité et Analyse XRD :

  • Soie Tussar : A présenté une réduction significative de la cristallinité et de l'intensité de diffraction après 5 minutes d'irradiation, indiquant une scission de chaîne et une fragmentation structurelle. Bien qu'une récupération partielle de l'intensité et de la taille des cristallites ait été observée à 10 minutes, la cristallinité est restée inférieure au niveau de l'échantillon brut, suggérant une recristallisation limitée et une tendance vers un état amorphe.
  • Soie Bivoltine : A démontré une stabilité supérieure. Si 5 minutes d'irradiation ont provoqué une légère diminution de l'intensité, 10 minutes d'exposition ont entraîné une augmentation significative de l'intensité de diffraction et de l'indice de cristallinité (CI), passant de 89 % (brut) à 92 %. Cela indique une réorganisation moléculaire induite par l'irradiation et un meilleur alignement des feuillets $\beta$ sans distorsion importante du réseau.

• Spectroscopie FTIR :

  • Soie Tussar : A montré une réduction des intensités de pics et un élargissement des bandes après 5 minutes, suggérant une perturbation partielle des liaisons hydrogène et de l'ordre des feuillets $\beta$.
  • Soie Bivoltine : A affiché une intensification et un affinement continus des bandes Amide I et II après 10 minutes, dénotant un meilleur alignement des chaînes et des interactions intermoléculaires renforcées.

• Propriétés Mécaniques :

  • Soie Tussar : Les performances mécaniques se sont dégradées de manière significative après 5 minutes (réduction de la charge de rupture et de la ténacité) mais ont montré une récupération notable à 10 minutes, dépassant légèrement les valeurs de la fibre brute.
  • Soie Bivoltine : A présenté une augmentation monotone des propriétés mécaniques avec le temps d'irradiation. La charge de rupture, l'allongement et la ténacité se sont améliorés progressivement, l'échantillon de 10 minutes présentant la performance la plus élevée (par exemple, la ténacité passant de 2,19 à 2,857 g/den).

• Morphologie de Surface (MEB) :

  • Soie Tussar : Les fibres brutes paraissaient plus rugueuses et hétérogènes. L'irradiation a induit une dégradation de surface visible, notamment une rugosité, une rupture des fibrilles et des discontinuités microstructurales.
  • Soie Bivoltine : Les fibres brutes étaient lisses et compactes. Après irradiation, les fibres sont restées structurellement intactes avec seulement des irrégularités de surface mineures, maintenant une morphologie uniforme et compacte indicative d'un meilleur empilement moléculaire.

Signification et Revendications
L'article conclut que la soie Bivoltine possède une excellente tolérance à l'irradiation et une adaptabilité structurelle par rapport à la soie Tussar. Les auteurs affirment que l'irradiation par micro-ondes contrôlée permet de contrôler efficacement la microstructure et les performances de la soie, particulièrement pour les variétés Bivoltines, en favorisant la réorientation des chaînes de fibroïne et la stabilisation des domaines en feuillets $\beta$.

L'étude soutient que ces résultats sont cruciaux pour la conception rationnelle de matériaux de nouvelle génération à base de soie. Plus précisément, la soie Bivoltine est identifiée comme un candidat plus approprié pour les applications nécessitant une haute stabilité structurelle et des performances mécaniques améliorées sous irradiation, telles que les textiles avancés, les matériaux biomédicaux de charge et les composites fonctionnels. À l'inverse, la susceptibilité de la soie Tussar à la dégradation thermique et structurelle suggère qu'elle peut être mieux adaptée aux applications où la porosité naturelle et la texture esthétique sont privilégiées par rapport au renforcement structurel induit par l'irradiation. Ce travail souligne que la compréhension de ces réponses différentielles est essentielle pour la sélection des types de soie et des stratégies de traitement dans la conception de matériaux fonctionnels.