Présentation de la technologie de bioimpression 3D
La bio-impression 3D plongée dans le 21e siècle. C'est une idée époustouflante d'imprimer des tissus humains grâce à la fabrication additive.
On peut dire que c'est une étape exceptionnelle dans la médecine régénératrice tissulaire et l'ingénierie tissulaire.
Au cours des dernières décennies, cette technologie a été utilisée pour essayer de créer des constructions tissulaires fonctionnelles qui imitent les tissus humains.
Par conséquent, la bio-impression 3D pourrait mettre fin aux longs processus impliqués dans les essais cliniques de médicaments sur les animaux et les humains.
De plus, cela pourrait être la solution aux pénuries d'organes lors de greffes d'organes susceptibles d'échouer en raison du rejet de tissus. Cette percée mettrait fin à la situation désespérée du don d'organes dans le monde. Voici tout ce que vous devez savoir sur la bio-impression 3D.
Qu'est-ce que la bio-impression 3D ?
La fabrication additive a étendu son application à l'ingénierie des organes. Le processus consiste à construire un organe ou un tissu en couches (une couche ou une autre). Il utilise l'approche ascendante de l'impression 3D.
L'approche couche par couche garantit que vous déposez des cellules primaires, des matériaux bioniques et d'autres matériaux d'une manière spécifique qui imite l'architecture cellulaire typique.
Ainsi, le processus conduit à un tissu ou un organe synthétisé avec la fonctionnalité et la structure normales du tissu naturel complexe.
Dans la bio-impression tridimensionnelle, vous imprimez des biomolécules et des cellules sur des substrats pour former un motif particulier qui maintient la construction ensemble sous la forme 3D requise. Veuillez noter que la bio-impression 3D utilise des cellules souches humaines vivantes, des tissus, etc.
Ainsi, vous devez suivre les modalités impliquées avec les tissus vivants. Ces modalités incluent la biocompatibilité des cellules et des matériaux, la sensibilité des cellules à vos matériaux et méthodes d'impression, la perfusion et l'administration de facteurs de croissance.
Pourquoi les tissus bio-imprimés peuvent remplacer les animaux et les humains dans les essais précliniques
Le processus de bio-impression est automatisé. Ainsi, cette automatisation garantit des modèles cellulaires précis et une communication et une organisation extracellulaire contrôlées.
De plus, la fabrication couche à couche du tissu biosynthétisé garantit que le tissu imprimé a des pores interconnectés.
Par conséquent, le tissu ou l'organe bio-imprimé qui a amélioré la communication intercellulaire et intracellulaire sera idéal pour la physiologie humaine in vivo.
Cette fonctionnalité améliorerait le tissu synthétique car elle aide dans les données obtenues dans les essais précliniques également parce que le tissu animal peut ne pas prédire suffisamment la réponse physiopathologique humaine.
Comment fonctionne la bio-impression 3D ?
Dans le corps humain, les tissus sont endommagés et dégénèrent quotidiennement. Pourtant, vos capacités de régénération tissulaire peuvent ne pas être suffisantes pour faire face à des traumatismes fréquents comme des accidents ou des maladies cardiaques.
Au fil du temps, le traitement de ces conditions dépend de la transplantation de tissus ou d'organes. Ainsi, l'ensemble du processus risque une réponse immunitaire ou un rejet de greffe.
Pour résoudre les deux problèmes, l'impression 3D est très pratique.
Pourquoi? Parce que vous avez besoin d'un organe, l'objectif de la médecine régénérative par bioimpression 3D est de fournir à vos cellules souches l'organe ou le tissu dont vous avez besoin. Vous aurez alors le tissu parfait qui n'attire pas ces réponses auto-immunes.
Le concept de bio-impression 3D implique des principes de science des matériaux et de biologie humaine pour la synthèse de tissus et d'organes.
Ainsi, l'objectif principal est de restaurer les organes ou les tissus endommagés, comme la cirrhose du foie ou l'insuffisance cardiaque. Par conséquent, l'idée tourne autour de l'émulation de la complexité biologique native du tissu conduisant à la différenciation des cellules souches conduisant à la régénération tissulaire.
Pourquoi la bio-impression 3D au lieu d'un don normal ?
Dans le don habituel, le processus qui conduit au rejet de tissu ou d'organe résulte, entre autres, des formations cellulaires et de l'interphase de connexion. Il est influencé par des facteurs de croissance, tels que les facteurs de croissance de l'endothélium vasculaire.
Ce processus est quelque peu aléatoire et ne permet pas une distribution personnalisée de matrices ou de cellules extracellulaires. De plus, c'est moins efficace et prend moins de temps. Du point de vue économique et logistique, cet inconvénient se traduit par une non-faisabilité du greffon pour l'application clinique.
Ainsi, la fabrication additive permet d'explorer l'ingénierie tissulaire grâce à l'approche descendante de la bio-impression 3D.
Cette approche a une nature contrôlée dans le dépôt de matière qui permet de produire des géométries précises et anatomiquement exactes à l'aide d'une conception assistée par ordinateur.
Quel est le but de la bio-impression tridimensionnelle ?
Selon les imprimantes 3D Allevi, plus de 120 000 citoyens américains ont besoin d'un don d'organes.
D'autres patients innombrables ont des problèmes de santé chroniques et d'autres maladies terminales en raison de l'immunosuppression post-transplantation et d'autres en raison des dommages à long terme de ceux-ci.
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, des ingénieurs et des médecins multidisciplinaires pour faire face aux défis liés à la santé humaine.
La bio-impression tridimensionnelle est un outil prometteur pour éliminer les listes d'attente de greffes d'organes et de tissus. De plus, dans le développement pharmaceutique, la bio-impression offre un moyen plus rapide et moins coûteux de mener des essais cliniques de médicaments 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 permet également d'offrir des systèmes d'administration de médicaments plus simples.
Étonnamment, la poursuite de l'évolution de la bioimpression 3D permettra l'ingénierie des tissus osseux et des tissus cutanés, des tissus cardiaques, des patchs d'organes ou le remplacement complet d'organes à l'aide des cellules souches d'un patient.
L'objectif de l'impression 3D est de fournir aux médecins et aux chercheurs un meilleur outil pour cibler les traitements avec de meilleurs résultats.
Quand la bioimpression 3D a-t-elle été inventée ?
Cette question nous ramène au début des années 1900 lorsque les imprimantes matricielles ont été découvertes.
Les imprimantes tridimensionnelles capables d'imprimer des objets tangibles à partir de données par Charles Hall ont constitué une base permettant à tous les amateurs et ingénieurs d'imprimer différents objets, y compris des tissus et des bâtiments.
Cependant, la bio-impression tridimensionnelle a commencé en 2000 lorsque quelqu'un a créé des prothèses et des implants qui correspondaient presque aux caractéristiques du patient. Le domaine médical a adopté les utilisations non biologiques de l'impression 3D ainsi que la modélisation anatomique.
En 2003, Thomas Boland a créé la première bio-imprimante tridimensionnelle pour imprimer un tissu vivant à l'aide d'une bio-encre de substances biocompatibles. Après la percée de 2003, il y a eu l'implantation réussie de la première vessie humaine fabriquée en laboratoire en 2006 et la bio-impression en 2009 du premier vaisseau sanguin.
La procédure de bioimpression 3D
Les stratégies de bio-impression tridimensionnelle tournent autour de la superposition précise de matériaux. Le processus de bio-impression implique des phases de préparation, d'impression et de post-manipulation.
Dans la phase de préparation, vous concevez des modèles 3D à l'aide d'infographies. Ces modèles doivent être anatomiquement précis.
Vous sélectionnez également la bio-encre que vous utiliserez. Cette sélection signifie que vous déterminez le tissu musculaire ou la structure que vous souhaitez, sélectionnant ainsi les bons matériaux, y compris les cellules de mammifères, les cellules endothéliales ou tout autre type de cellule dont vous avez besoin.
La deuxième étape consiste à sélectionner des matériaux additifs et la dernière étape consiste à faire mûrir les structures fabriquées.
Techniques de bioimpression
Vous pouvez effectuer une bio-impression sans échafaudage ou à base d'échafaudage. Mode basé sur l'échafaudage ; la matrice comprend la strate utilisée dans le processus de fabrication. Cette matrice de biomatériau modèle la bio-encre. Par conséquent, vous pouvez utiliser un hydrogel chargé de cellules, un film ou une nanofibre.
Veuillez noter :la construction biologique résultante doit imiter étroitement l'environnement typique de la matrice extracellulaire. Cet aspect permet aux cellules des constructions biologiques d'augmenter et de se développer.
La bio-impression sans échafaudage consiste à déposer des agrégats de tissus et de cellules sous forme de sphéroïdes, de cylindres, de nids d'abeilles, etc. Le deuxième processus consiste à mettre des sphéroïdes de tissu dans des pipettes, puis à déposer la pipette dans un espace confiné du moule de la bio-imprimante 3D par extrusion.
Ensuite, les cellules forment leur matrice cellulaire, ce qui conduit à la maturation des tissus; donc vous éliminez la moisissure.
Quels sont les inconvénients de la bio-impression 3D ?
Un risque de contamination en bio-impression à jet d'encre continu :la bio-encre qui n'est pas déviée dans le substrat recircule dans votre imprimante. La recirculation peut entraîner une contamination.
Le manque de composants de bio-impression comme un logiciel inadéquat peut définir les molécules biologiques, les biomatériaux et le placement des cellules. Ce manque entrave les opérations de bio-impression 3D.
Dans la déformation de l'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 de types de bio-impression existe-t-il ?
Il existe plusieurs techniques d'impression tridimensionnelle pour la fabrication et la structuration sélective de la matrice extracellulaire. Ils incluent :
- Impression à jet d'encre
- Impression par extrusion
- Bio-impression assistée par laser
- Bio-impression stéréolithographique
Bio-impression tridimensionnelle à jet d'encre
La bio-impression à jet d'encre utilise de l'encre biologique et des cellules vivantes sur du papier biologique. La bio-encre est une suspension de biomatériau à faible viscosité, tandis que les papiers bio sont des substances biomatérielles telles que des constructions polymères, une boîte de culture ou un substrat d'hydrogel.
Vous pouvez faire cette technique de deux manières. La première méthode est l'impression à jet d'encre continu. Ici, vous créez un flux continu de gouttelettes lorsque vous appliquez une pression sur votre bio-encre. La pression expulse l'encre.
Ensuite, vous appliquez un champ électrique qui dévie le flux d'encre biologique dans un substrat. Une gouttière recueille les gouttes en excès qui ne s'alignent pas dans le flux pour les réutiliser.
Deuxièmement, vous avez la bio-impression à jet d'encre à la demande. L'action est similaire à l'impression à jet d'encre continu, sauf que vous produirez les gouttelettes à la demande. Par conséquent, vous appliquerez une pression pulsée au lieu d'appliquer une pression continue.
Transfert avant laser
Le transfert direct induit par laser utilise des faisceaux laser pour déposer de la bio-encre sur des substrats. Cette méthode offre un processus d'écriture sans contact pour l'impression en trois dimensions.
Dans cette méthode, vous disposez de trois éléments vitaux, dont une source laser (pulsée), un ruban enduit d'encre biologique et un substrat récepteur. Vous pouvez utiliser un laser UV avec une impulsion nanoseconde comme source d'énergie.
À l'origine, LIFT utilisait une impulsion laser à haute énergie pour griffonner des éléments métalliques sur le substrat transparent en le déposant directement. La technique s'étend comme AFA-LIFT.
Assisté par film absorbant (LIFT) pour la bioimpression
Ici, vous incluez une couche métallique absorbant le laser sur les bio-encres et l'interface du ruban. Cette couche agit comme une couche sacrificielle, protégeant vos cellules de l'exposition au laser.
Dans cette technique, vous pouvez directement imprimer des cellules sur la matrice extracellulaire. En outre, vous pouvez les imprimer sous forme de pièces encapsulées lors du processus d'impression.
Bio-impression par extrusion
La bio-impression par extrusion se fait de deux manières :la bio-impression assistée par pression et l'écriture directe à l'encre. DIW implique un processus d'extrusion pneumatique où la bio-imprimante tridimensionnelle extrude des matériaux générant des architectures 3D couche par couche.
Dans l'impression assistée par pression, vous induisez un écoulement en appliquant une contrainte plus élevée au-dessus de la limite d'élasticité de l'appareil. Ainsi, vous relâchez la contrainte de cisaillement et la bio-encre retrouve sa rigidité après son application sur le substrat.
Bio-impression 3D SLA
La bio-impression 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 thermodurcissable et photosensible.
La photosensibilité est une exigence pour les biomatériaux ici car la technique prend la lumière comme agent de réticulation. Ainsi, vous devez inclure des fractions photodurcissables comme des dérivés de PEG.
Les secteurs de la santé intègrent la bio-impression SLA dans les techniques d'imagerie, y compris les IRM et les tomodensitogrammes pour les améliorations prothétiques diagnostiques.
Le secteur l'utilise également pour réaliser des chirurgies complexes. La bio-impression SLA comprend deux catégories :les méthodes d'impression multiphoton et monophoton.
Qui pourrait bénéficier de la bio-impression 3D ?
Veuillez noter que la bioimpression d'organes et de tissus nécessite plus d'années de recherche. Mais nous pourrions anticiper à qui cet outil profitera principalement à divers patients. Voici une liste des domaines où la bio-impression est applicable.
- Bio-impression des tissus cutanés
- Bio-impression du tissu osseux
- Bio-impression des tissus cartilagineux
- Bio-impression du tissu cardiaque
Qu'est-ce que la bio-impression 3D de tissus et d'organes ?
Bio-impression des tissus cutanés
La peau humaine est complexe avec des structures accessoires comme les glandes sébacées, les glandes sudoripares, les cheveux et les ongles. Vous avez également différents types de cellules et de terminaisons nerveuses. Le tissu de collagène est responsable de l'élasticité de votre peau.
La bio-impression 3D permet d'imprimer la peau humaine, ce qui consiste à 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 à partir d'une biopsie et les étendez dans une culture pour fabriquer la bio-encre.
La deuxième étape est l'impression proprement dite, suivie du post-traitement, où les cellules vont augmenter et mûrir.
Enfin, vous caractérisez et évaluez la fonction du tissu cutané. Par conséquent, la bio-impression des tissus cutanés ira très loin pour les personnes atteintes d'un cancer de la peau ou de maladies de la peau, de brûlures et de problèmes de vieillissement et de rides de la peau.
Bio-impression des tissus cardiaques
Les troubles cardiovasculaires ont continué à entraîner la mortalité chez de nombreuses personnes. Les affections cardiaques courantes comprennent l'arrêt cardiaque, l'infarctus du myocarde, l'insuffisance cardiaque, l'angine de poitrine, la cardiomyopathie, etc. De plus, les artères et les veines ont présenté des affections chroniques telles que la sténose.
La triste nouvelle est que les cardiomyocytes sont irremplaçables car ils ne disposent pas d'un processus d'auto-régénération ou de réparation. Leur mort continue augmente la croissance des tissus de collagène, ce qui augmente le risque de cardiomyopathie. Avec ces conditions, il est difficile d'obtenir un donneur cardiaque.
Mais avec la bio-impression 3D, ces problèmes de santé seront gérables. La bio-impression du tissu cardiaque est difficile en raison de la complexité du muscle cardiaque, en particulier pour atteindre sa nature auto-rythmique.
Bio-impression tissulaire du cartilage
Le cartilage est un tissu blanc lisse recouvrant les extrémités osseuses. C'est une structure complexe composée de protéoglycanes, de collagène et de protéines.
Ses principales caractéristiques sont que le tissu cartilagineux est avasculaire et que les systèmes nerveux et lymphatique ne l'atteignent pas non plus.
Par conséquent, une fois que vous blessez ou causez un traumatisme continu, vous pourriez vous retrouver avec de l'arthrose ou une déficience. L'ingénierie tissulaire envisage actuellement de distribuer ces facteurs biologiques en déposant du polyéthylène et des chondrocytes dans la bio-impression des tissus cartilagineux.
Bio-impression de tissus osseux
Le tissu osseux est un tissu hautement vascularisé et structurellement complexe. Les fractures ostéo-dégénératives et osseuses peuvent entraîner des blessures et des traumatismes entraînant un dysfonctionnement 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 bio-impression du tissu osseux promet de meilleurs résultats dans la chimie contrôlable et le maintien de la forme de l'intégrité tissulaire.
Quel matériau peut être utilisé en bio-impression ?
L'encre doit posséder les propriétés biochimiques souhaitées, ce qui aidera à la déposer dans les motifs spécifiés. Pourquoi ?
Parce que la bio-encre facilite les interactions de la matrice extracellulaire ainsi que la prolifération et la croissance cellulaires. De plus, l'encre doit être biocompatible pour soutenir la morphologie du tissu souhaité.
Pour la bio-impression des tissus cardiaques et cutanés, vous aurez besoin d'une 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 pouvez choisir l'acide poly lactique-co-glycolique, la polycaprolactone, le polyéthylène glycol. De plus, vous pouvez choisir un mélange de biomatériaux synthétiques et naturels.
Lors de la sélection de l'encre biologique du tissu osseux, tenez compte de la spécialisation, de la fonctionnalité et de la cytocompatibilité des cellules.
Vous pouvez utiliser de la gélatine, de l'hydroxyapatite; Gélatine pour la phase préparatoire et hydroxyapatite pour aider la construction du tissu imprimé à imiter le tissu osseux naturel.
Conclusion
La bio-impression 3D est un outil prometteur pour révolutionner la médecine telle que nous la connaissons. De l'ingénierie des tissus cardiaques aux structures de tissus osseux imprimées, l'impression 3D aidera à relever les énormes défis de la santé humaine.
En conclusion, ces applications d'ingénierie tissulaire dans les tissus mous cardiaques, les vaisseaux sanguins, les tissus cartilagineux, etc., aideront à réduire les listes d'attente pour les dons et à améliorer la santé.
Nous prévoyons de passer très prochainement de la biologie cellulaire conventionnelle à la médecine avancée avec des tissus et des organes tridimensionnels.
impression en 3D