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Optimiser la bio-impression d’organes humains

biothechnologie 15 avril 2022

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Les transplantations d’organes humains constituent une bouée de sauvetage cruciale pour les personnes atteintes de maladies graves, mais les organes sont trop peu nombreux. La promesse d’imprimer des organes en 3D est une solution possible pour remédier à cette pénurie, mais elle s’est heurtée à la complexité et aux obstacles techniques, limitant le type d’organes pouvant être imprimés.

Imprimer des organes humains en 3D

Des chercheurs de l’Institut de technologie Stevens ont maintenant franchi ces obstacles en s’appuyant sur une technique vieille de plusieurs décennies pour reproduire n’importe quel type de tissu.

Ces travaux, menés par Robert Chang, professeur associé au département de génie mécanique, pourraient ouvrir la voie à l’impression 3D de tout type d’organe à tout moment, même de la peau directement sur une plaie ouverte.

« Créer de nouveaux organes sur commande et sauver des vies sans avoir besoin d’un donneur humain sera un immense avantage pour les soins de santé », a déclaré Robert Chang. « Cependant, atteindre cet objectif est délicat car l’impression d’organes à l’aide de « bio-encres » nécessite un degré de contrôle fin de la géométrie et de la taille des microfibres imprimées que les imprimantes 3D actuelles ne peuvent tout simplement pas atteindre. »

La microfluidique permet d’imprimer des organes d’une dizaine de micromètres

Chang et son équipe, dont Ahmadreza Zaei, premier auteur et candidat au doctorat dans le laboratoire de Chang, espèrent changer cela en accélérant un nouveau processus d’impression 3D qui utilise la microfluidique pour fonctionner à une échelle beaucoup plus petite que ce qui était possible jusqu’à présent. « La récente publication vise à améliorer la contrôlabilité et la prévisibilité de la structure des microtissus et des microfibres fabriqués grâce à la technologie de bio-impression microfluidique », a déclaré M. Zaeri.

La plupart des bio-imprimantes 3D actuelles sont basées sur l’extrusion, faisant jaillir la bio-encre d’une buse pour créer des structures d’environ 200 microns, soit environ un dixième de la largeur d’un fil de spaghetti. Une imprimante basée sur la microfluidique pourrait imprimer des objets biologiques mesurant de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, à l’échelle de la cellule.

La microfluidique permet d’utiliser plusieurs bio-encres

En plus de fonctionner à plus petite échelle, la microfluidique permet également d’utiliser plusieurs bio-encres, chacune contenant des cellules et des précurseurs de tissus différents, de manière interchangeable dans une seule structure imprimée.

C’est important, car si les chercheurs ont déjà créé des organes simples, comme des vessies, en encourageant la croissance des tissus sur des échafaudages imprimés en 3D, des organes plus complexes, comme des foies et des reins, nécessitent la combinaison précise de nombreux types de cellules différents. « Le fait de pouvoir opérer à cette échelle, tout en mélangeant précisément les bio-encres, nous permet de reproduire n’importe quel type de tissu », a déclaré M. Chang.

Un modèle informatique permet de prévoir les résultats

Pour rationaliser ce processus, l’équipe de Chang a créé un modèle informatique d’une tête d’impression microfluidique, ce qui lui permet de modifier les paramètres et de prévoir les résultats sans avoir à recourir à une expérimentation laborieuse dans le monde réel. « Notre modèle de calcul permet d’extraire une formule qui peut être utilisée pour prédire les différents paramètres géométriques des structures fabriquées et extrudées par les canaux microfluidiques », a déclaré Ahmadreza Zaeri.

Les modèles de calcul de l’équipe ont prédit avec précision les résultats d’expériences microfluidiques réelles, et Chang utilise son modèle pour guider les expériences sur les moyens d’imprimer des structures biologiques de géométrie variable. Les résultats de ces travaux de recherche peuvent être utilisés pour l’impression d’une bio-encre combinant plusieurs types de cellules, capable de reproduire le tissu avec des gradients des propriétés géométriques et de composition que l’on trouve à l’intersection de l’os et du muscle.

L’impression 3D microfluidique pour la création in situ de peau et d’autres tissus

Chang explore également l’utilisation de l’impression 3D microfluidique pour la création in situ de peau et d’autres tissus, permettant aux patients d’avoir des tissus de remplacement imprimés directement dans une plaie. « Cette technologie est encore si nouvelle que nous ne savons pas précisément ce qu’elle permettra », a-t-il déclaré. « Mais nous savons que cela ouvrira la porte à la création de nouvelles structures et de nouveaux types importants de biologie. »

Cette recherche a été publiée dans Scientific Reports.

Source : Stevens Institute of Technology
Crédit photo : iStock