Les ingénieurs biomédicaux se sont concentrés sur la conception et le développement d’échafaudages imprimés en 3D qui peuvent être implantés dans le corps pour favoriser la repousse des cellules. Cependant, rendre ces structures suffisamment petites et complexes pour que les cellules puissent se développer reste un défi important.
Les chercheurs du RMIT ont détourné l’impression 3D traditionnelle pour créer certaines des structures biomédicales les plus complexes à ce jour, faisant ainsi progresser le développement de nouvelles technologies de repousse des os et des tissus.
Le domaine émergent de l’ingénierie tissulaire vise à exploiter la capacité naturelle du corps humain à se guérir lui-même, afin de reconstruire les os et les muscles perdus à cause de tumeurs ou de blessures.
Les ingénieurs biomédicaux se sont concentrés sur la conception et le développement d’échafaudages imprimés en 3D qui peuvent être implantés dans le corps pour favoriser la repousse des cellules. Cependant, rendre ces structures suffisamment petites et complexes pour que les cellules puissent se développer reste un défi important.
C’est là qu’intervient une équipe de recherche dirigée par l’université RMIT, en collaboration avec des cliniciens de l’hôpital St Vincent de Melbourne, en Australie, qui a bouleversé l’approche classique de l’impression 3D.
Au lieu de fabriquer directement les échafaudages bio, l’équipe a imprimé en 3D des moules avec des cavités aux motifs complexes, puis les a remplis de matériaux biocompatibles, avant de dissoudre les moules. En utilisant l’approche indirecte, l’équipe a créé des échafaudages bio de la taille d’un ongle remplis de structures élaborées qui, jusqu’à présent, étaient considérées comme impossibles avec des imprimantes 3D standard.
Le chercheur principal, le Dr Cathal O’Connell, a déclaré que la nouvelle méthode de bio-fabrication était rentable et facilement évolutive car elle s’appuyait sur une technologie largement disponible. « Les formes que l’on peut réaliser avec une imprimante 3D standard sont limitées par la taille de la buse d’impression – l’ouverture doit être suffisamment grande pour laisser passer le matériau et, en fin de compte, cela influe sur la taille de l’impression« , a déclaré O’Connell, chercheur postdoctoral du vice-chancelier au RMIT.
« Mais les espaces entre les matériaux imprimés peuvent être beaucoup plus petits et beaucoup plus complexes. En inversant notre façon de penser, nous dessinons essentiellement la structure que nous voulons dans l’espace vide à l’intérieur de notre moule imprimé en 3D. Cela nous permet de créer les microstructures minuscules et complexes où les cellules vont s’épanouir. »
Une technique polyvalente
Selon O’Connell, d’autres approches ont permis de créer des structures impressionnantes, mais uniquement avec des matériaux sur mesure, adaptés avec des additifs particuliers ou modifiés avec des produits chimiques spéciaux.
« Ce qui est important, c’est que notre technique est suffisamment polyvalente pour utiliser des matériaux de qualité médicale disponibles dans le commerce« , a-t-il déclaré. « Il est extraordinaire de pouvoir créer des formes aussi complexes à l’aide d’une imprimante 3D de base de niveau secondaire. Cela abaisse vraiment la barre d’entrée dans le domaine et nous rapproche considérablement de la concrétisation de l’ingénierie tissulaire en médecine.«
Une boîte à outils pour les traitements futurs
À l’heure actuelle, il existe peu d’options de traitement pour les personnes qui perdent une quantité importante d’os ou de tissus en raison d’une maladie ou d’une blessure, ce qui fait de l’amputation ou des implants métalliques pour combler un vide des issues courantes.
Si quelques essais cliniques d’ingénierie tissulaire ont été menés dans le monde, il reste encore des défis majeurs à relever en matière de bio-ingénierie pour que la technologie de bio-impression 3D devienne un élément standard de la panoplie du chirurgien.
En orthopédie, un point d’achoppement majeur est le développement d’un bioscaffold qui fonctionne à la fois sur l’os et le cartilage.
« Notre nouvelle méthode est si précise que nous créons des microstructures spécialisées pour la croissance de l’os et du cartilage dans un seul et même échafaudage bio« , a déclaré O’Connell. « C’est l’idéal chirurgical – un seul échafaudage intégré qui peut supporter les deux types de cellules, pour mieux reproduire le fonctionnement du corps. »
Des tests effectués sur des cellules humaines ont montré que les bio-échafaudages construits à l’aide de la nouvelle méthode sont sûrs et non toxiques. Les prochaines étapes pour les chercheurs consisteront à tester des modèles pour optimiser la régénération cellulaire et à étudier l’impact sur la repousse des cellules de différentes combinaisons de matériaux biocompatibles.
Étape par étape : comment imprimer à l’envers un échafaudage
La nouvelle méthode – que les chercheurs ont baptisée « Negative Embodied Sacrificial Template 3D » (NEST3D) – utilise une simple colle PVA comme base du moule imprimé en 3D.
Une fois que le matériau biocompatible injecté dans le moule a durci, la structure entière est placée dans l’eau pour dissoudre la colle, ne laissant que le bio-échafaudage nourricier des cellules.
Le premier auteur de l’étude, la chercheuse Stephanie Doyle, a déclaré que la méthode permettait aux chercheurs de tester rapidement des combinaisons de matériaux afin d’identifier les plus efficaces pour la croissance cellulaire.
« L’avantage de notre technique avancée de moulage par injection est sa polyvalence« , a déclaré Mme Doyle. « Nous pouvons produire des dizaines d’échafaudage bio d’essai dans une gamme de matériaux – des polymères biodégradables aux hydrogels, en passant par les silicones et les céramiques – sans avoir besoin d’une optimisation rigoureuse ou d’un équipement spécialisé. Nous sommes en mesure de produire des structures 3D de seulement 200 microns de diamètre, soit la largeur de quatre cheveux humains, et d’une complexité qui rivalise avec les techniques de fabrication par la lumière. Il pourrait s’agir d’un accélérateur massif pour la recherche en bio-fabrication et en ingénierie tissulaire. »
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