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Construire de « vraies » structures biologiques à l'aide de la bio-impression 3D

INGÉNIERIE ET ​​TECHNOLOGIEConstruire de « vraies » structures biologiques à l'aide de la bio-impression 3D

Dans une avancée majeure dans la technique de bio-impression 3D, les cellules et les tissus ont été créés pour se comporter comme dans leur environnement naturel afin de construire de « vraies » structures biologiques

L'impression 3D est une procédure dans laquelle un matériau est ajouté et ainsi joint ou solidifié sous le contrôle numérique d'un ordinateur pour créer un objet ou une entité en trois dimensions. Prototypage rapide et fabrication additive sont les autres termes utilisés pour décrire cette technique de création d'objets ou d'entités complexes par superposition de matériaux et construction progressive – ou simplement une méthode « additive ». Cette technologie remarquable existe depuis trois décennies après avoir été officiellement découverte en 1987, ce n'est que récemment qu'elle a été propulsée sous les feux de la rampe et de la popularité en tant que moyen non seulement de produire des prototypes, mais plutôt d'offrir des composants fonctionnels à part entière. Tel est le potentiel des possibilités de 3D l'impression qu'elle est à l'origine d'innovations majeures dans de nombreux domaines, notamment l'ingénierie, la fabrication et la médecine.

Différents types de méthodes de fabrication additive sont disponibles et suivent les mêmes étapes pour obtenir le résultat final final. Dans la première étape cruciale, la conception est créée à l'aide d'un logiciel de CAO (conception assistée par ordinateur) sur ordinateur, appelé plan numérique. Ce logiciel peut prédire l'évolution et le comportement de la structure finale, cette première étape est donc vitale pour un bon résultat. Cette conception CAO est ensuite convertie en un format technique (appelé fichier .stl ou langage de tessellation standard) qui est requis pour que l'imprimante 3D puisse interpréter les instructions de conception. Ensuite, une imprimante 3D doit être configurée (similaire à une imprimante 2D ordinaire, domestique ou de bureau) pour l'impression réelle - cela inclut la configuration de la taille et de l'orientation, opter pour des impressions paysage ou portrait, remplir les cartouches d'imprimante avec la bonne poudre . Les imprimante 3D commence alors le processus d'impression, construisant progressivement le dessin une couche microscopique du matériau à la fois. Cette couche a généralement une épaisseur d'environ 0.1 mm, bien qu'elle puisse être personnalisée pour s'adapter à un objet particulier en cours d'impression. L'ensemble de la procédure est en grande partie automatisé et aucune intervention physique n'est requise, uniquement des contrôles périodiques pour garantir un fonctionnement correct. Un objet particulier prend plusieurs heures à plusieurs jours, selon la taille et la complexité de la conception. De plus, puisqu'il s'agit d'une méthodologie « additive », elle est économique, respectueuse de l'environnement (sans gaspillage) et offre également une plus grande marge de manœuvre pour les conceptions.

Le niveau suivant : la bio-impression 3D

Bioimpression est une extension de l'impression 3D traditionnelle avec les avancées récentes permettant d'appliquer l'impression 3D aux matériaux vivants biologiques. Alors que l'impression à jet d'encre 3D est déjà utilisée pour développer et fabriquer des dispositifs et outils médicaux avancés, une étape supplémentaire doit être développée pour imprimer, visualiser et comprendre les molécules biologiques. La différence cruciale étant que contrairement à l'impression à jet d'encre, la bioimpression est basée sur la bio-encre, qui est composée de structures cellulaires vivantes. Ainsi, en bio-impression, lorsqu'un modèle numérique particulier est entré, le tissu vivant spécifique est imprimé et construit couche par couche cellulaire. En raison des composants cellulaires très complexes du corps vivant, la bio-impression 3D progresse lentement et des complexités telles que le choix des matériaux, des cellules, des facteurs et des tissus posent des défis procéduraux supplémentaires. Ces complexités peuvent être abordées en élargissant la compréhension en intégrant des technologies de domaines interdisciplinaires comme la biologie, la physique et la médecine.

Des avancées majeures en bio-impression

Dans une étude publiée dans Matériaux fonctionnels avancés, les chercheurs ont développé une technique de bioimpression 3D qui utilise des cellules et des molécules normalement présentes dans les tissus naturels (leur environnement natif) pour créer des constructions ou des conceptions qui ressemblent à de « vraies » structures biologiques. Cette technique de bio-impression particulière combine « l'auto-assemblage moléculaire » avec « l'impression 3D » pour créer des structures biomoléculaires complexes. L'auto-assemblage moléculaire est un processus par lequel les molécules adoptent elles-mêmes un arrangement défini pour effectuer une tâche spécifique. Cette technique intègre le « contrôle microscopique et macroscopique des caractéristiques structurelles » que l'« impression 3D » fournit avec le « contrôle moléculaire et à l'échelle nanométrique » permis par « l'auto-assemblage moléculaire ». Il utilise la puissance de l'auto-assemblage moléculaire pour stimuler les cellules en cours d'impression, ce qui constitue par ailleurs une limitation de l'impression 3D lorsque « l'encre d'impression 3D » ordinaire ne fournit pas ce moyen pour cela.

Les chercheurs ont « incorporé » des structures dans une « encre biologique » qui est similaire à leur environnement natif à l'intérieur du corps, ce qui fait que les structures se comportent comme elles le feraient dans le corps. Cette bio-encre, également appelée encre à auto-assemblage, permet de contrôler ou de moduler les propriétés chimiques et physiques pendant et après l'impression, ce qui permet ensuite de stimuler le comportement cellulaire en conséquence. Le mécanisme unique lorsqu'il est appliqué à bio-impression nous permet de faire des observations sur le fonctionnement de ces cellules dans leur environnement, nous donnant ainsi un aperçu et une compréhension du scénario biologique réel. Il soulève la possibilité de construire des structures biologiques 3D en imprimant plusieurs types de biomolécules capables de s'assembler en structures bien définies à plusieurs échelles.

L'avenir est plein d'espoir !

La recherche en bio-impression est déjà utilisée pour générer différents types de tissus et peut donc être très importante pour l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative afin de répondre au besoin de tissus et d'organes adaptés à la transplantation - peau, os, greffons, tissu cardiaque, etc. De plus, la technique ouvre un large éventail de possibilités pour concevoir et créer des scénarios biologiques tels que des environnements cellulaires complexes et spécifiques pour permettre la prospérité de l'ingénierie tissulaire en créant réellement des objets ou des constructions -sous contrôle numérique et avec une précision moléculaire- qui ressemblent ou imitent les tissus du corps. Il est possible de créer des modèles de tissus vivants, d'os, de vaisseaux sanguins et, potentiellement et d'organes entiers, pour les procédures médicales, la formation, les tests, la recherche et les initiatives de découverte de médicaments. La génération très spécifique de constructions personnalisées spécifiques au patient peut aider à concevoir des traitements précis, ciblés et personnalisés.

L'un des plus grands obstacles à la bio-impression et à l'impression à jet d'encre 3D en général a été le développement d'un logiciel avancé et sophistiqué pour relever le défi de la première étape de l'impression - créer une conception ou un plan approprié. Par exemple, le plan d'objets non vivants peut être créé facilement, mais lorsqu'il s'agit de créer des modèles numériques de, par exemple, un foie ou un cœur, c'est difficile et pas simple comme la plupart des objets matériels. La bioimpression a certainement une multitude d'avantages - contrôle précis, répétabilité et conception individuelle, mais est toujours en proie à plusieurs défis - le plus important étant l'inclusion de plusieurs types de cellules dans une structure spatiale car un environnement vivant est dynamique et non statique. Cette étude a contribué à l'avancement de la bio-impression 3D et de nombreux obstacles peuvent être levés en suivant leurs principes. Il est clair que le vrai succès de la bioimpression a plusieurs facettes qui s'y rattachent. L'aspect le plus crucial qui peut renforcer la bioimpression est le développement de biomatériaux pertinents et appropriés, l'amélioration de la résolution de l'impression et également la vascularisation pour pouvoir appliquer avec succès cette technologie en clinique. Il semble impossible de « créer » des organes pleinement fonctionnels et viables pour la transplantation humaine par bio-impression, mais néanmoins ce domaine progresse rapidement et de nombreux développements sont actuellement à l'avant-garde en quelques années seulement. Il devrait être possible de surmonter la plupart des défis liés à la bio-impression, car les chercheurs et les ingénieurs biomédicaux sont déjà sur la voie d'une bio-impression complexe réussie.

Quelques problèmes avec la bioimpression

Un point critique soulevé dans le domaine de la bio-impression est qu'il est presque impossible à ce stade de tester l'efficacité et la sécurité des traitements biologiques « personnalisés » proposés aux patients utilisant cette technique. En outre, les coûts associés à de tels traitements sont un gros problème, en particulier en ce qui concerne la fabrication. Bien qu'il soit tout à fait possible de développer des organes fonctionnels qui peuvent remplacer des organes humains, mais même dans ce cas, il n'existe actuellement aucun moyen infaillible d'évaluer si le corps du patient acceptera de nouveaux tissus ou l'organe artificiel généré et si de telles greffes seront couronnées de succès à tous.

La bioimpression est un marché en croissance et se concentrera sur le développement de tissus et d'organes et peut-être que dans quelques décennies, de nouveaux résultats seront observés dans les organes et les greffes humains imprimés en 3D. 3D bio-impression continuera d'être le développement médical le plus important et le plus pertinent de notre vie.

***

{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

Hedegaard CL 2018. Auto-assemblage hiérarchique guidé hydrodynamiquement de bioencres peptide-protéine. Matériaux fonctionnels avancéshttps://doi.org/10.1002/adfm.201703716

Équipe SCIEU
Équipe SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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