Ptychographie tri-dimensionnelle pour l’analyse de la cohérence cristalline de biominéraux calcaires – 3D-PtyCCoBio

3D-PtyCCoBio est un projet fondamental à 4 ans, ayant pour but l’exploration de structures cristallines calcaires produites par des organismes vivants. Alors qu’aux échelles macroscopiques et microscopiques, ces cristaux calcaires présentent une grande variété de formes associées à de la matière organique variée, les observations les plus récentes mettent en évidence une structure à l’échelle nanoscopique, qui est commune à tous les organismes cristallisants, permettant de soupçonner l’existence d’un processus générique de bio-minéralisation. De plus, les nanostructures bio-minérales semblent présenter une grande cohérence cristalline malgré la présence de matière organique, intriquée dans le cristal. Faire la lumière sur les conditions qui conduisent à la formation de nanostructures hybrides organiques/inorganiques et monocristallines permettra assurément de dresser un schéma réaliste de la bio-minéralisation. A ce jour, aucune des techniques avancées de nano-caractérisation n’est capable de répondre à cette question. Nous proposons de révéler la structure 3D de biominéraux choisis, en utilisant un outil de caractérisation unique que nous développons dans le cadre de ce projet : la ptychographie de Bragg en rayons x. La ptychographie est une méthode de microscopie sans lentille, démontrée en rayons x récemment, pour l’imagerie de systèmes amorphes. Au lieu de lentilles, des algorithmes itératifs sont utilisés pour reconstruire la valeur complexe du champ diffracté à partir des mesures d’intensité uniquement. Nous voulons développer plus en avant cette microscopie vers la géométrie de Bragg, afin de sonder la partie cristalline des biominéraux. Outre l’image 3D de la structure cristalline avec une résolution aux échelles nanométriques et un champ de vue micrométrique, la méthode sera en principe sensible aux relations de phase dans le cristal, donnant ainsi la possibilité de mettre en évidence la cohérence cristalline. En parallèle, des expériences de précipitation in vitro seront menées afin de fournir des échantillons biomimétiques comparatifs pour la ptychographie et définir ainsi un système véritablement biomimétique. Des études cinétiques sur la production de ces bio-cristaux synthétiques constitueront un apport essentiel pour le modèle de bio-minéralisation.
Notre stratégie consiste premièrement en la démonstration en laboratoire de la ptychographie de Bragg avec un montage optique sur des échantillons modèles avant l’application de la ptychographie de Bragg aux rayons x sur des bio-cristaux natifs ou bio-mimétiques en utilisant les faisceaux x cohérents des sources synchrotrons de 3ème génération.
Au-delà d’un fort impact pour la communauté des biomatériaux, 3D-PtyCCoBio contribuera au développement d’un outil de nano-caractérisation fortement désiré pour aborder des problèmes majeurs en science des nanomatériaux.
3D-PtyCCoBio est basé sur un partenariat interdisciplinaire composé de neuf chercheurs et d'un ingénieur. Ce projet rassemble trois expertises complémentaires : l’optique, la biologie et la science des matériaux. L’équipe de l’Institut Fresnel (Partenaire #1) est un expert en microscopies digitales à la fois aux rayons x et dans le visible. L’équipe IDES (Partenaire #2) a une expérience reconnue dans l’analyse microstruturale et la morphogénèse des biominéraux. L’équipe CEA-LIONS (Partenaire #3) est experte dans le domaine des modèles biomimétiques et les mesures aux rayons X.