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 un procédé qui consiste à superposer des matériaux, contrôlés numériquement par ordinateur, pour créer un objet tridimensionnel. Le prototypage rapide et la fabrication additive sont d'autres termes utilisés pour décrire cette technique de création d'objets complexes par superposition progressive de couches de matériau – ou, plus simplement, une méthode « additive ». Cette technologie remarquable existe depuis trois décennies, après sa découverte officielle en 1987. Ce n'est que récemment qu'elle a acquis une grande notoriété, non seulement pour la production de prototypes, mais aussi pour la fabrication de composants fonctionnels à part entière. Le potentiel de l' impression 3D est tel qu'elle est aujourd'hui à l'origine d'innovations majeures dans de nombreux domaines, notamment l'ingénierie, la production industrielle et la médecine.
Différents types de méthodes de fabrication additive existent, suivant les mêmes étapes pour obtenir le résultat final. La première étape cruciale consiste à créer la conception à l'aide d'un logiciel de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) sur ordinateur ; on parle alors de plan numérique. Ce logiciel permet de prédire l'aspect et le comportement de la structure finale ; cette première étape est donc essentielle pour un résultat optimal. Cette conception CAO est ensuite convertie en un format technique (fichier .stl ou langage de tessellation standard) nécessaire à l'imprimante 3D pour interpréter les instructions de conception. L'imprimante 3D doit ensuite être configurée (comme une imprimante 2D classique) pour l'impression proprement dite : il faut définir la taille et l'orientation, choisir le format d'impression (paysage ou portrait) et remplir les cartouches avec la poudre appropriée. L' imprimante 3D lance alors le processus d'impression, en construisant progressivement la pièce, couche microscopique de matériau à la fois. L'épaisseur de chaque couche est généralement d'environ 0.1 mm, mais elle peut être personnalisée en fonction de l'objet à imprimer. L'ensemble du processus est largement automatisé et ne nécessite aucune intervention physique, hormis des contrôles périodiques pour garantir un bon fonctionnement. La fabrication d'un objet prend de quelques heures à plusieurs jours, selon sa taille et la complexité de sa conception. De plus, grâce à sa méthode de fabrication additive, ce procédé est économique, écologique (sans gaspillage) et offre une plus grande liberté de création.
Le niveau suivant : la bio-impression 3D
La bio-impression est une extension de l'impression 3D traditionnelle, les récents progrès permettant son application aux matériaux biologiques vivants. Si l'impression 3D à jet d'encre est déjà utilisée pour développer et fabriquer des dispositifs et outils médicaux de pointe, une étape supplémentaire est nécessaire pour imprimer, visualiser et comprendre les molécules biologiques. La différence cruciale réside dans le fait que, contrairement à l'impression à jet d'encre, la bio-impression repose sur une bio-encre, composée de structures cellulaires vivantes. Ainsi, en bio-impression, lorsqu'un modèle numérique spécifique est entré en entrée, le tissu vivant correspondant est imprimé et construit couche par couche cellulaire. En raison de la grande complexité des composants cellulaires 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 surmontées en élargissant notre compréhension grâce à l'intégration de technologies issues de domaines interdisciplinaires tels que la biologie, la physique et la médecine.
Des avancées majeures en bio-impression
Dans une étude publiée dans Advanced Functional Materials , des chercheurs ont mis au point une technique de bio-impression 3D qui utilise des cellules et des molécules présentes naturellement dans les tissus (leur environnement natif) pour créer des structures ressemblant à de véritables structures biologiques. Cette technique particulière combine l'auto-assemblage moléculaire et l'impression 3D pour créer des structures biomoléculaires complexes. L'auto-assemblage moléculaire est un processus par lequel les molécules adoptent spontanément une configuration définie pour accomplir une tâche spécifique. Cette technique intègre le contrôle micro- et macroscopique des caractéristiques structurelles offert par l'impression 3D au contrôle à l'échelle moléculaire et nanométrique permis par l'auto-assemblage moléculaire. Elle exploite la puissance de l'auto-assemblage moléculaire pour stimuler les cellules imprimées, une capacité qui constitue une limitation de l'impression 3D classique lorsque l'encre utilisée ne permet pas cette stimulation.
Des chercheurs ont intégré des structures dans une « bio-encre » similaire à leur environnement naturel au sein du corps, permettant ainsi à ces structures de se comporter comme elles le feraient dans l'organisme. Cette bio-encre, également appelée encre auto-assemblée, permet de contrôler et de moduler les propriétés chimiques et physiques pendant et après l'impression, ce qui stimule le comportement cellulaire en conséquence. Appliqué à la bio-impression, ce mécanisme unique permet d'observer le fonctionnement de ces cellules dans leur environnement, offrant ainsi un aperçu et une compréhension du fonctionnement biologique réel. Il ouvre la voie à la construction de structures biologiques 3D par l'impression de différents types de biomolécules capables de s'assembler en structures bien définies à différentes 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 principaux obstacles à la bio-impression et à l'impression 3D à jet d'encre en général réside dans le développement d'un logiciel avancé et sophistiqué capable de relever le défi de la première étape d'impression : la création d'un modèle approprié. Par exemple, il est aisé de créer le modèle d'objets inanimés, mais la modélisation numérique d'un foie ou d'un cœur, par exemple, s'avère complexe et bien plus ardue que celle de la plupart des objets matériels. La bio-impression présente indéniablement de nombreux avantages – contrôle précis, reproductibilité et conception personnalisée – mais elle reste confrontée à plusieurs défis, le plus important étant l'intégration de différents types cellulaires dans une structure spatiale, le milieu vivant étant dynamique et non statique. Cette étude a contribué à l'avancement de la bio-impression 3D et nombre de ces obstacles peuvent être surmontés en suivant ses principes. Il est clair que le succès de la bio-impression repose sur plusieurs facteurs. Parmi les aspects les plus cruciaux pour son développement figurent la mise au point de biomatériaux pertinents et adaptés, l'amélioration de la résolution d'impression et la vascularisation, indispensables à une application clinique réussie de cette technologie. Il semble impossible de créer par bio-impression des organes pleinement fonctionnels et viables destinés à la transplantation humaine, mais ce domaine progresse rapidement et de nombreuses avancées sont en cours. Il devrait être possible de surmonter la plupart des obstacles 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 crucial soulevé dans le domaine de la bio-impression est qu'il est quasiment impossible, à ce stade, de tester l'efficacité et l'innocuité des traitements biologiques « personnalisés » proposés aux patients grâce à cette technique. De plus, les coûts associés à ces traitements constituent un problème majeur, notamment en ce qui concerne la fabrication. Bien qu'il soit tout à fait possible de développer des organes fonctionnels capables de remplacer les organes humains, il n'existe actuellement aucun moyen infaillible d'évaluer si le corps du patient acceptera le nouveau tissu ou l'organe artificiel créé, ni même si de telles transplantations seront couronnées de succès.
La bio-impression est un marché en pleine expansion qui se concentrera sur le développement de tissus et d'organes. D'ici quelques décennies, on pourrait assister à des avancées majeures dans le domaine des organes humains imprimés en 3D et des greffes . La bio-impression 3D restera sans doute l'une des avancées médicales les plus importantes et pertinentes de notre époque.
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Sources)
Hedegaard CL 2018. Auto-assemblage hiérarchique guidé par l'hydrodynamique de bio-encres peptide-protéine. Advanced Functional Materials . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
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