Explorer la bioprinting 3D : révolutionner l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative

La bioprinting 3D s'est immergée dans le 21e siècle. C'est une idée vertigineuse d'imprimer du tissu humain par fabrication additive.

On peut dire que c'est une étape exceptionnelle dans la médecine régénérative des tissus et l'ingénierie tissulaire.

Au cours des dernières décennies, cette technologie a été utilisée pour tenter de créer des structures tissulaires fonctionnelles qui imitent le tissu humain.

Par conséquent, la bioprinting 3D pourrait mettre fin aux longs processus impliqués dans les essais cliniques animaux et humains de médicaments.

De plus, cela pourrait être la solution aux pénuries d'organes lors des transplantations d'organes qui sont sujettes à l'échec en raison du rejet tissulaire. Cette percée mettrait fin à l'état désespéré du don d'organes dans le monde. Voici tout ce que vous devez savoir sur la bioprinting 3D.

Qu'est-ce que la bioprinting 3D ?

La fabrication additive a étendu son application dans l'ingénierie d'organes. Le processus implique la construction d'un organe ou d'un tissu en couches (une couche après l'autre). Il utilise l'approche bottom-up de l'impression 3D.

L'approche couche par couche assure que vous déposez les cellules primaires, bioniques et d'autres matériaux d'une manière spécifique qui imite l'architecture cellulaire typique.

Ainsi, le processus mène à un tissu ou organe synthétisé avec la fonctionnalité et la structure normales du tissu naturel complexe.

En bioprinting tridimensionnelle, vous imprimez des biomolécules et des cellules sur des substrats pour former un motif particulier qui maintient la structure ensemble comme la forme 3D requise. Veuillez noter que la bioprinting 3D utilise des cellules souches humaines vivantes, des tissus, et plus.

Ainsi, vous devez suivre les modalités impliquées avec les tissus vivants. Ces modalités incluent la biocompatibilité des cellules et matériaux, la sensibilité cellulaire à vos matériaux et méthodes d'impression, la perfusion et la livraison des facteurs de croissance.

Pourquoi les tissus bioprintés peuvent remplacer les animaux et humains dans les essais précliniques

Le processus de bioprinting est automatisé. Ainsi, cette automatisation assure des motifs cellulaires précis et une communication et organisation extracellulaire contrôlées.

De plus, la fabrication couche par couche du tissu biosynthétisé assure que le tissu imprimé a des pores interconnectés.

Par conséquent, le tissu ou organe bioprinté qui a une communication intercellulaire et intracellulaire améliorée sera idéal pour la physiologie humaine in vivo.

Cette caractéristique rendrait le tissu synthétique meilleur car elle aide dans les données obtenues lors des essais précliniques aussi parce que le tissu animal peut ne pas prédire suffisamment la réponse pathophysiologique humaine.

Comment fonctionne la bioprinting 3D ?

Dans le corps humain, les tissus sont endommagés et se dégénèrent quotidiennement. Pourtant, vos capacités de régénération tissulaire peuvent ne pas être suffisantes pour faire face aux traumatismes fréquents comme les accidents ou les maladies cardiaques.

Au fil du temps, le traitement de telles conditions dépend de la transplantation de tissus ou d'organes. Ainsi, tout le processus risque une réponse immunitaire ou un rejet de greffe.

Pour résoudre ces deux problèmes, l'impression 3D intervient.

Pourquoi ? Parce que vous avez besoin d'un organe, l'objectif de la médecine régénérative par la bioprinting 3D est de fournir à vos cellules souches l'organe ou le tissu dont vous avez besoin. Ensuite, vous aurez le tissu parfait qui n'attire pas ces réponses auto-immunes.

Le concept de bioprinting 3D implique des principes de science des matériaux et de biologie humaine pour synthétiser des tissus et organes.

Ainsi, l'accent principal est mis sur la restauration d'organes ou de tissus endommagés, comme la cirrhose du foie ou l'insuffisance cardiaque. Donc l'idée tourne autour de l'émulation de la complexité biologique native du tissu menant à la différenciation des cellules souches menant à la régénération tissulaire.

Pourquoi la bioprinting 3D au lieu du don normal ?

Dans le don habituel, le processus qui mène au rejet de tissu ou d'organe résulte des formations cellulaires et de l'interphase de connexion, parmi d'autres choses. Il est influencé par des facteurs de croissance, tels que les facteurs de croissance endothéliaux vasculaires.

Ce processus est quelque peu aléatoire et ne permet pas une distribution personnalisée des matrices extracellulaires ou des cellules. De plus, il est moins efficace et chronophage. Du point de vue économique et logistique, cet inconvénient résulte en une non-faisabilité de la greffe pour l'application clinique.

Ainsi, la fabrication additive aide à explorer l'ingénierie tissulaire par l'approche top-down en bioprinting 3D.

Cette approche a une nature contrôlée dans le dépôt de matière qui aide à produire des géométries précises qui sont anatomiquement précises en utilisant une conception assistée par ordinateur.

Quel est le but de la bioprinting tridimensionnelle ?

Selon les imprimantes 3D Allevi, plus de 120 000 citoyens américains ont besoin d'un don d'organe.

D'innombrables autres patients ont des conditions de santé chroniques et terminales dues à l'immunosuppression post-transplantation et d'autres en raison des dommages à long terme de la même.

Ainsi, la pression accrue et le besoin d'alternatives à la transplantation d'organes. La fabrication additive a aidé la communauté scientifique et médicale à composer des chercheurs multidisciplinaires, ingénieurs et médecins pour faire face aux défis liés à la santé humaine.

La bioprinting tridimensionnelle est un outil promettant l'élimination des listes d'attente pour les transplantations d'organes et de tissus. De plus, dans le développement pharmaceutique, la bioprinting a un moyen plus rapide et moins coûteux de mener des essais cliniques de médicaments qui sont biologiquement pertinents pour les animaux et les humains.

Cet appareil, par exemple, aide les chirurgiens à joindre les veines en réduisant les complications. L'impression tridimensionnelle aide également à offrir des systèmes d'administration de médicaments plus faciles.

Incroyablement, l'évolution future de la bioprinting 3D rendra l'ingénierie des tissus osseux et cutanés, cardiaques, les patchs d'organes, ou le remplacement complet d'organes en utilisant les cellules souches du patient.

L'objectif de l'impression 3D est de fournir aux médecins et chercheurs un meilleur outil pour des traitements ciblés avec des résultats améliorés.

Quand la bioprinting 3D a-t-elle été inventée ?

Cette question nous ramène au début des années 1900 quand les imprimantes matricielles ont été découvertes.

Les imprimantes tridimensionnelles capables d'imprimer des objets tangibles à partir de données par Charles Hull ont formé une base pour tous les passionnés et ingénieurs pour imprimer différents objets, y compris des tissus et des bâtiments.

Cependant, la bioprinting tridimensionnelle a commencé en 2000 quand quelqu'un a créé des prothèses et implants qui correspondaient presque aux caractéristiques du patient. Le domaine médical a adopté les utilisations non biologiques de l'impression 3D plus la modélisation anatomique.

En 2003, Thomas Boland a créé la première bioprinter tridimensionnelle pour imprimer un tissu vivant en utilisant de l'encre biologique (bio-ink) de substances biocompatibles. Suite à la percée de 2003, ce fut l'implantation réussie de la première vessie humaine faite en laboratoire en 2006 et la bioprinting du premier vaisseau sanguin en 2009.

La procédure pour la bioprinting 3D

Les stratégies de bioprinting tridimensionnelle tournent autour du empilement précis des matériaux. Le processus de bioprinting implique des phases de préparation, d'impression et de post-traitement.

Dans la phase de préparation, vous concevez des modèles 3D en utilisant des graphiques informatiques. Ces modèles doivent être anatomiquement précis.

Vous sélectionnez également le bio-encre que vous utiliserez. Cette sélection signifie que vous déterminez le tissu musculaire ou la structure que vous voulez, donc sélectionnez les bons matériaux, y compris les cellules mammifères, les cellules endothéliales, ou tout autre type de cellules dont vous avez besoin.

La deuxième étape implique la sélection de matériaux additifs, et la dernière étape implique la maturation des structures fabriquées.

Techniques de bioprinting

Vous pouvez réaliser la bioprinting soit sans échafaudage (scaffold-free) soit basée sur échafaudage (scaffold-based). Mode basé sur échafaudage ; la matrice comprend le stratum utilisé dans le processus de fabrication. Ce biomatériau matrice le bio-encre. Par conséquent, vous pouvez utiliser de l'hydrogel chargé en cellules, un film ou une nanofibre.

Veuillez noter : la construction biologique résultante doit imiter de près l'environnement typique de la matrice extracellulaire. Cet aspect permet aux cellules des constructions biologiques de croître et se multiplier.

La bioprinting sans échafaudage implique le dépôt de tissus et d'agrégats cellulaires sous forme de sphéroïdes, cylindres, alvéoles, etc. Le second processus implique de mettre les sphéroïdes tissulaires dans des pipettes puis de déposer la pipette dans un espace confiné du moule de bioprinter 3D par extrusion.

Ensuite, les cellules forment leur matrice cellulaire, ce qui mène à la maturation tissulaire ; donc vous éliminez le moule.

Quels sont les inconvénients de la bioprinting 3D ?

Risque de contamination en bioprinting à jet d'encre continu : le bio-encre qui n'est pas dévié dans le substrat recircule dans votre imprimante. La recirculation peut mener à la contamination.

Manque de composants de bioprinting comme un logiciel inadéquat peut définir les molécules biologiques, biomatériaux et placement cellulaire. Ce manque entrave les opérations de bioprinting 3D.

En déformation d'échafaudage, vos tissus nouvellement formés peuvent échouer si vous ne fournissez pas de support mécanique et structurel. Ainsi, vous devez fabriquer des constructions 3D stables.

Combien y a-t-il de types de bioprinting ?

Il existe plusieurs techniques d'impression tridimensionnelle pour la fabrication et le patterning sélectif de la matrice extracellulaire. Elles incluent :

• Impression à jet d'encre (Ink-jet printing)
• Impression par extrusion (Extrusion printing)
• Bioprinting assisté par laser (Laser-assisted bioprinting)
• Bioprinting stéréolithographique (Stereolithographic bioprinting)

Bioprinting tridimensionnelle basée sur jet d'encre

La bioprinting à jet d'encre utilise du bio-encre et des cellules vivantes sur du bio-papier. Le bio-encre est une suspension de biomatériau à faible viscosité, tandis que les bio-papiers sont des substances biomatériau comme des constructions polymères, une boîte de culture ou un substrat d'hydrogel.

Vous pouvez faire cette technique de deux façons. La première façon est l'impression à jet d'encre continu. Ici, vous créez un flux continu de gouttelettes en appliquant de la pression sur votre bio-encre. La pression force l'encre à sortir.

Ensuite, vous appliquez un champ électrique qui dévie le flux de bio-encre dans un substrat. Une gouttière collecte les gouttes excédentaires qui ne s'alignent pas dans le flux pour réutilisation.

Deuxièmement, vous avez la bioprinting à jet d'encre à la demande (drop-on-demand). L'action est similaire à l'impression à jet d'encre continu, sauf que vous produirez les gouttelettes sur demande. Par conséquent, vous appliquerez une pression pulsée au lieu d'appliquer une pression continue.

Transfert frontal induit par laser (Laser Forward Transfer)

Le transfert frontal induit par laser utilise des faisceaux laser pour déposer du bio-encre sur des substrats. Cette méthode offre un processus d'écriture sans contact pour l'impression tridimensionnelle.

Dans cette méthode, vous avez trois éléments vitaux, incluant une source laser (pulsée), un ruban enduit de bio-encre, et un substrat destinataire. Vous pouvez utiliser un laser UV avec une impulsion de nanoseconde comme source d'énergie.

À l'origine, LIFT utilisait une impulsion laser de haute énergie pour graver des caractéristiques métalliques sur le substrat transparent en le déposant directement. La technique s'étend en AFA-LIFT.

Film absorbant assisté (LIFT) pour la bioprinting

Ici, vous inclurez une couche absorbante laser métallique sur l'interface des bio-encres et du ruban. Cette couche agit comme une couche sacrificielle, protégeant vos cellules de l'exposition au laser.

Dans cette technique, vous pouvez imprimer directement les cellules sur la matrice extracellulaire. De plus, vous pouvez les imprimer comme des pièces encapsulées dans le processus d'impression.

Bioprinting basée sur extrusion

La bioprinting par extrusion se fait de deux façons : Bioprinting assisté par pression et écriture directe d'encre (Direct Ink Writing). DIW implique un processus d'extrusion pneumatique où la bioprinter tridimensionnelle extrude des matériaux générant des architectures 3D couche par couche.

Dans l'impression assistée par pression, vous induirez le flux en appliquant une contrainte plus élevée au-dessus de la contrainte de rendement de l'appareil. Ainsi, vous libérerez la contrainte de cisaillement, et le bio-encre retrouvera sa rigidité après l'avoir appliqué sur le substrat.

Bioprinting SLA 3D

La bioprinting SLA dépend de la hauteur des matériaux biocompatibles plutôt que de leur complexité.

La technique construit des tissus complexes couche par couche en ajoutant des matériaux et en projetant de la lumière. Vous projetez la lumière sur votre bio-encre photo-sensible et thermo-durcissable.

La photosensibilité est une exigence pour les biomatériaux ici car la technique prend la lumière comme agent de réticulation. Ainsi, vous devez inclure des moieties photocurables comme les dérivés PEG.

Les secteurs de la santé intègrent la bioprinting SLA dans les techniques d'imagerie, y compris l'IRM et les scanners TDM pour les améliorations de diagnostic prothétique.

Le secteur l'utilise également pour réaliser des chirurgies complexes. La bioprinting SLA a deux catégories : méthodes d'impression multiphoton et single-photon.

Qui pourrait bénéficier de la bioprinting 3D ?

Veuillez noter que la bioprinting d'organes et de tissus a besoin de plus d'années de recherche. Mais nous pourrions anticiper qui cet outil bénéficiera principalement divers patients. Voici une liste des domaines où la bioprinting est applicable.

• Bioprinting de tissu cutané
• Bioprinting de tissu osseux
• Bioprinting de tissu cartilagineux
• Bioprinting de tissu cardiaque

Qu'est-ce que la bioprinting 3D de tissus et organes ?

Bioprinting de tissu cutané

La peau humaine est complexe avec des structures accessoires comme les glandes sébacées, les glandes sudoripares, les cheveux et les ongles. Vous avez aussi différents types de cellules et terminaisons nerveuses. Le tissu de collagène est responsable de l'élasticité de votre peau.

La bioprinting 3D peut imprimer la peau humaine, ce qui implique de lui donner les propriétés mécaniques nécessaires en créant toutes ses propriétés en quatre étapes. La première phase est préparatoire, où vous obtenez des cellules souches cutanées d'une biopsie et les étendez en culture pour faire le bio-encre.

La deuxième étape est l'impression réelle, suivie du post-traitement, où les cellules augmenteront et mûriront.

Finalement, vous caractérisez et évaluez la fonction du tissu cutané. Par conséquent, la bioprinting de tissu cutané ira loin pour les personnes qui ont un cancer de la peau ou des maladies de peau, des brûlures, et des problèmes avec le vieillissement et les rides de la peau.

Bioprinting de tissu cardiaque

Les troubles cardiovasculaires ont continué à causer la mortalité chez de nombreuses personnes. Les conditions cardiaques communes incluent l'arrêt cardiaque, l'infarctus du myocarde, l'insuffisance cardiaque, l'angine de poitrine, la cardiomyopathie, etc. De plus, les artères et veines ont montré des conditions chroniques comme la sténose.

La nouvelle attristante est que les cardiomyocytes sont irremplaçables car ils manquent d'un processus d'auto-régénération ou de réparation. Leur mort continue augmente la croissance du tissu de collagène, ce qui augmente le risque de cardiomyopathie. Avec ces conditions, il est difficile d'obtenir un donneur cardiaque.

Mais avec la bioprinting 3D, ces conditions de santé seront gérables. La bioprinting de tissu cardiaque est difficile en raison de la complexité du muscle cardiaque, surtout pour atteindre sa nature auto-rythmique.

Bioprinting de tissu cartilagineux

Le cartilage est un tissu blanc lisse recouvrant les extrémités des os. C'est une structure complexe faite de protéoglycanes, collagène et protéines.

Ses caractéristiques exceptionnelles sont que le tissu cartilagineux est avasculaire, et les systèmes nerveux et lymphatiques ne l'atteignent pas non plus.

Aussi, une fois que vous blessez ou causez un traumatisme continuellement, vous pourriez finir avec de l'arthrose ou une déficience. L'ingénierie tissulaire considère actuellement la distribution de ces facteurs biologiques par le dépôt de polyéthylène et de chondrocytes dans la bioprinting de tissu cartilagineux.

Bioprinting de tissu osseux

Le tissu osseux est un tissu hautement vascularisé et structurellement complexe. La dégénérescence osseuse et les fractures osseuses peuvent résulter en blessures et traumatismes menant à une dysfonction du tissu osseux ou un défaut osseux chronique.

Ces dysfonctionnements et défauts nécessitent une régénération osseuse qui peut aider à restaurer le tissu osseux endommagé.

L'ingénierie des tissus osseux utilise des hydrogels. Cependant, les hydrogels sont incapables de former une matrice osseuse minéralisée.

Ainsi, la bioprinting de tissu osseux promet de meilleurs résultats en chimie contrôlée et maintien de la forme de l'intégrité du tissu.

Quel matériau peut être utilisé en bioprinting ?

L'encre doit posséder vos propriétés biochimiques désirées, ce qui aidera à la déposer dans les motifs spécifiés. Pourquoi ?

Parce que le bio-encre facilite les interactions de la matrice extracellulaire et la prolifération et croissance cellulaire. De plus, l'encre doit être biocompatible pour soutenir la morphologie du tissu désiré.

Pour la bioprinting de tissus cardiaques et cutanés, vous aurez besoin d'un bio-encre similaire. Vous pouvez choisir des polymères naturels comme le collagène, la gélatine, l'alginate ou l'acide hyaluronique.

Si vous préférez les polymères synthétiques, vous pourriez choisir l'acide poly lactique-co-glycolique, le polycaprolactone, le polyéthylène Glycol. De plus, vous pouvez choisir un mélange de biomatériaux synthétiques et naturels.

Lors de la sélection du bio-encre pour tissu osseux, considérez la spécialisation cellulaire, la fonctionnalité et la cytocompatibilité.

Vous pouvez utiliser de la gélatine, de l'hydroxyapatite ; Gélatine pour la phase préparatoire et hydroxyapatite pour aider la construction de tissu imprimé à imiter le tissu osseux naturel.

Bilan

La bioprinting 3D est un outil promettant de révolutionner la médecine comme nous la connaissons. De l'ingénierie des tissus cardiaques aux structures de tissus osseux imprimés, l'impression 3D aidera à faire face aux défis tremendus de la santé humaine.

En conclusion, ces applications d'ingénierie tissulaire dans les tissus mous cardiaques, vaisseaux sanguins, tissus cartilagineux, etc., aideront à adresser les listes d'attente pour les dons et améliorer la santé.

Nous anticipons une migration de la biologie cellulaire conventionnelle vers la médecine avancée avec des tissus et organes tridimensionnels très bientôt.