L'impression 3D biologique expliquée : définition, histoire, mécanismes et types principaux

L'impression 3D biologique représente un ensemble de technologies à un stade précoce. Ces domaines de recherche examinent l'utilisation de matériaux biologiques pour l'impression d'implants fonctionnels et de dispositifs de test qui simulent, stimulent ou reproduisent de vrais tissus, soit pour des implants patients, soit pour des outils de recherche. Bien que ces technologies en soient à leurs balbutiements, elles promettent des changements de paradigme dans les interventions médicales aux implications dramatiques et profondes.

Qu'est-ce que l'impression 3D biologique ?

L'impression 3D biologique consiste en l'utilisation de matériaux biologiques et bio-fonctionnels dans la fabrication additive. Des imprimantes hautement spécialisées créent des structures 3D composées de ces matériaux biologiques. Parmi les exemples : cellules vivantes, matériaux de structure ou d'échafaudage bioactifs, et biomolécules. Le processus utilise les méthodes typiques d'impression 3D pour déposer le matériau biologique couche par couche, aboutissant à des constructions de mimétisme biologique, de structure et de substitution pour divers usages médicaux.

L'objectif de cette impression 3D biologique est la fabrication de constructions tissulaires complexes hautement fonctionnelles et, à terme, d'organes. Ceux-ci servent à des fins médicales telles que l'implantation chez le patient, les tests de médicaments et la modélisation pathologique. Cette technologie opère actuellement à des niveaux assez primitifs. Cependant, les progrès de la recherche en matière de tissus fonctionnels suggèrent qu'elle révolutionnera les soins de santé en permettant la fabrication sur mesure d'organes fonctionnellement similaires (ou supérieurs) aux tissus naturels qu'ils reproduisent.

Quand l'impression 3D biologique a-t-elle commencé ?

Il n'y a pas de moment unique où les technologies et recherches ayant abouti à l'impression 3D biologique ont soudainement percé vers des solutions pour patients. Toutefois, plusieurs événements marquants se distinguent comme fondateurs de cette technologie. Gabor Forgacs a observé que les cellules pouvaient être organisées en structures spatiales « nouvelles » et qu'elles se combinaient pour conserver cette structure indéfiniment. Cette compréhension fut ultérieurement cruciale pour la construction 3D de structures biologiques, car elle démontrait qu'elles pouvaient être induites à conserver une forme.

Des matériaux biocompatibles ont commencé à être utilisés dans des solutions de santé régénérative vers 2000. Cela a conduit directement à la construction d'échafaudages spatiaux, développés à l'Université Wake Forest. Les échafaudages étaient colonisés par des cellules patients cultivées, puis implantés sans rejet ni médicaments immunosuppresseurs. Ils se sont révélés stables à long terme. En 2002, la technologie d'extrusion biologique a été rapportée par Landers et commercialisée sous le nom de « 3D-Bioplotter ». Wilson et Boland ont utilisé une imprimante HP à jet d'encre modifiée comme bioprinter en 2003, puis en 2004 ont développé l'impression biologique chargée en cellules avec une imprimante SLA commerciale construisant des échafaudages.

Comment fonctionne l'impression 3D biologique ?

Le processus d'impression 3D biologique comprend généralement les étapes suivantes :

1. Créer une conception 3D des tissus ou organes à imprimer. Des outils comme BioPrint Pro d'Allevi 3D se développent rapidement.
2. Sélectionner le bio-encre idéal. Le matériau utilisé en impression 3D contient des éléments tels que : protéines et facteurs de croissance dans des résines photopolymérisables biocompatibles. Ce sont des matériaux prêts à l'emploi pour imprimantes SLA biologiques appropriées. Avant l'impression, ils doivent être infusés de cellules patients cultivées qui seront stimulées pour « faire pousser » l'organe.
3. La bioprinter construit le modèle tel que conçu, le traitant via un logiciel de tranchage standard. Les bio-encres sont formulées pour diverses méthodes de production : extrusion, jet d'encre et impression SLA. Le bio-encre déposé fusionne pour former une structure poreuse, prête à la maturation cellulaire.
4. La structure imprimée est réticulée sous une forme plus stable et croisée par divers procédés, adaptés aux types particuliers de bio-encre.
5. Après réticulation, le matériau imprimé est incubé dans un bioréacteur. Le tissu/organe imprimé y sera traité comme un organisme vivant, pour optimiser son développement.

Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le fonctionnement des imprimantes 3D.

Quelle est l'importance de l'impression 3D biologique ?

L'utilisation croissante de la bioprinting dans tous les domaines des soins aux patients, du développement de médicaments et de la recherche résulte du développement d'une boîte à outils de plus en plus puissante. C'est le stade initial de ce qui deviendra probablement la fabrication complète de tissus et organes de remplacement. La capacité de construire sur mesure de nouveaux organes pour implants chirurgicaux est sur le point de révolutionner l'ensemble du secteur médical. Elle permet des traitements patients avec les propres tissus du patient induits à fournir de nouveaux transplants parfaits et « réels » avec peu ou pas de risque de rejet. La figure 1 montre un exemple d'organe bioprinté :

Image Credit: Shutterstock.com/guteksk7

Quel est le but de l'impression 3D biologique ?

La bioprinting est le processus de livraison d'échafaudages prêts pour l'incubation, peuplés de cellules patients, qui pourront être incubés et育és pour devenir des organes de remplacement. C'est une étape clé, irremplaçable, pour fournir des tissus et organes transplantables prêts pour le patient, que son système immunitaire reconnaîtra comme « soi ».

Quels sont les différents types d'impression 3D biologique ?

La bioprinting s'est développée en trois branches distinctes, chacune avec ses difficultés et avantages :

1. Bioprinting par jet d'encre

Le bioprinting par jet d'encre utilise l'impression à jet d'encre spécifiquement modifiée pour déposer des cellules vivantes et biomatériaux sur une construction stéréolithographique 3D afin de bâtir des structures biologiques — tissus et organes. La tête d'impression distribue le bio-encre contenant les cellules patients et les milieux de support biologique, livrant une « image » de chaque tranche dans la conception 3D, construite sur la couche précédente. Ces bio-encres contiennent des éléments durcis par UV ou chaleur qui s'intègrent et lient chaque couche à celle du dessous. Ainsi, les tissus tels que conçus sont disposés en une structure 3D qui peut ensuite être incubée jusqu'à maturité.

Le bioprinting par jet d'encre offre haute résolution, haute vitesse, et convient à l'application de multiples types cellulaires ou biomatériaux en une seule impression. Bien qu'encore loin du grand public, cette technologie est une méthode expérimentale clé en ingénierie tissulaire pour la médecine régénérative et d'implant, ainsi que dans les tests de médicaments.

2. Bioprinting assisté par pression

Le bioprinting assisté par pression utilise une distribution pneumatique ou hydraulique de fines gouttelettes de bio-encre sur une plateforme de construction. Cela construit les tissus tels que conçus, selon un processus couche par couche. Lorsque la couche de bio-encre est déposée, elle est réticulée par exposition à la lumière ultraviolette ou changement de température. Ce processus aide à former une structure intégrale qui peut être incubée pour faire mûrir les tissus prêts pour le patient (ou test de recherche). Ce processus est plus simple à bien des égards que les alternatives. Il permet le placement de cellules mixtes, pour une mimétique plus proche des vrais tissus. La résolution est plus faible, étant basée sur des gouttelettes extrudées. Dans de nombreux cas, c'est un léger désavantage pour une méthode par ailleurs puissante de construction tissulaire.

3. Bioprinting assisté par laser

Le bioprinting assisté par laser utilise un laser pour transférer et déposer précisément des cellules vivantes ou biomatériaux sur une plateforme de construction. Il crée les structures biologiques 3D désirées, telles que tissus et organes. Le faisceau laser évapore le matériau de substrat sur une bande de transfert chargée en bio-encre. Cela provoque l'évaporation éclair du substrat et l'éjection du bio-encre sur la construction. Cela dépose des gouttelettes précises de bio-encre sur la couche de construction couche par couche pour créer la structure 3D désirée. C'est une simulation proche de l'impression à bulles.

Le bioprinting laser offre divers avantages sur d'autres techniques d'impression 3D, notamment un contrôle de haute précision sur le placement cellulaire, la capacité d'imprimer avec haute résolution, et la capacité d'utiliser une gamme de biomatériaux, y compris ceux aux compositions plus complexes. Un excès de puissance laser peut endommager les cellules, et la technique est mal équipée pour délivrer de hautes densités cellulaires.

Quelles sont les différentes approches de l'impression 3D biologique ?

Les différentes approches de l'impression 3D biologique sont listées ci-dessous :

1. Biomimétisme

Le biomimétisme utilise les processus et matériaux tissulaires naturels pour résoudre les problèmes structurels et fonctionnels du bioprinting. Il peut créer des méthodes plus efficaces pour produire des tissus et organes biologiques étroitement analogues. L'utilisation de matériaux de matrice extracellulaire (MEC) naturels pour créer des échafaudages pour l'ingénierie tissulaire est une forme de biomimétisme. La MEC fournit un support structural aux cellules. L'utilisation de matériaux MEC naturels comme le collagène et l'acide hyaluronique peut améliorer l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des résultats tissulaires imprimés.

L'utilisation de bio-encres contenant des matériaux non naturels qui imitent les propriétés des tissus naturels, comme la rigidité, l'élasticité et l'adhérence cellulaire, peut aider à créer des tissus imprimés mieux fonctionnels. Certains chercheurs explorent des méthodes d'impression 3D qui imitent la façon dont les araignées tissent leurs toiles pour créer des propriétés complexes et plus typiquement naturelles dans les structures biologiques imprimées.

2. Auto-assemblage autonome

L'auto-assemblage autonome vise à permettre aux cellules de s'auto-organiser et former les structures requises sans manipulation/placement direct. Cette approche cherche à imiter la façon dont les cellules s'assemblent naturellement lors de la croissance normale des tissus. Les cellules patients sont mélangées à un bio-encre contenant un matériau gel qui peut être moulé dans la forme requise. Les cellules et le bio-encre sont ensuite incubés pour permettre l'auto-organisation. Cela forme des structures tissulaires ou organiques plus proches de la nature. Cette approche diffère des méthodes traditionnelles de bioprinting, où les cellules sont précisément placées selon un motif prédéterminé pour créer une structure.

Le bioprinting par auto-assemblage autonome présente des avantages majeurs sur le bioprinting traditionnel s'il peut être réalisé de manière reproductible et prévisible. Par exemple, il permet la création de structures tissulaires plus complexes et réalistes en mobilisant les processus morphogénétiques développementaux. Supprimer le besoin de manipulation externe réduit les dommages cellulaires qui peuvent être un obstacle en bioprinting.

Les chercheurs développent de nouveaux matériaux et techniques pour guider le processus naturel et intrinsèque d'auto-assemblage, afin de fournir un résultat plus naturel et plus performant. C'est peut-être le domaine de recherche le plus significatif en bioprinting, car il a le potentiel d'apporter une autre révolution en ingénierie tissulaire et médecine régénérative.

3. Mini-tissus

Les mini-tissus (ou microtissus) sont des structures cellulaires tridimensionnelles limitées. Ils sont utilisés dans la découverte de médicaments, les tests de toxicité et l'ingénierie tissulaire — et spécifiquement pas comme implants patients. Ils sont imprimés par les méthodes généralement utilisées : bio-encres standards chargées en cellules vivantes. La création de mini-tissus offre des avantages sur les cultures cellulaires 2D traditionnelles en boîte de Petri. En imitant de plus près la complexité des tissus naturels, ils offrent des résultats plus réalistes pour les tests de médicaments et le criblage de toxicité. Les chercheurs s'attendent à assembler des tissus et organes plus grands pouvant potentiellement servir d'implants chez les patients en imprimant de petits blocs de construction.

Quelles sont les étapes du processus d'impression 3D biologique ?

La bioprinting est un processus qui exige rigueur et contrôle élevé à tous égards. Chaque étape ci-dessous est un domaine de recherche intense, car des techniques et matériaux alternatifs sont constamment développés :

1. Pré-bioprinting

Le processus de pré-bioprinting consiste en diverses étapes qui doivent toutes être exactement justes — les marges de variance et d'erreur sont minimes si le résultat doit être une structure tissulaire utile. La première étape est de conceptualiser et spécifier la structure désirée. Cela définira la forme, la taille, et les propriétés physiques générales du tissu ainsi que les types de cellules et matériaux de support/nutrition qui seront utilisés. Avec le contour de la structure défini, des outils CAO spécialisés créent un modèle 3D hautement détaillé. Un bio-encre approprié est alors sélectionné ou créé, contenant le mélange structural, de durcissement et nutritif approprié pour les tissus à faire croître. La sélection et la culture cellulaire in vitro est l'étape la plus délicate, impliquant l'incubation et l'encouragement de la reproduction cellulaire dans un milieu de culture sous conditions strictement contrôlées, pour assurer leur viabilité et leur nombre suffisant.

2. Bioprinting

Le bioprinting est l'étape de réalisation finale qui prend le travail fondamental et construit l'échantillon tissulaire requis. Il est prêt pour l'incubation et les usages prévus : évaluation de médicaments, tests de toxicité, ou implant patient. L'échantillon tissulaire est construit soit par méthodes stéréolithographiques, soit par l'auto-organisation conçue dans le plan.

3. Post-bioprinting

Après bioprinting, diverses étapes critiques de traitement assurent la fonction et la viabilité du tissu construit. D'abord, le matériau de matrice imprimé doit être réticulé pour créer une structure robuste et stable. Diverses méthodes sont disponibles : généralement réticulation UV, traitement thermique, et agents chimiques appliqués externement. La maturation/incubation permet ensuite aux cellules de se diviser et se différencier. Des conditions environnementales strictement contrôlées sont requises. Pendant la maturation, et à nouveau une fois mature, la viabilité des cellules est évaluée pour s'assurer qu'elles remplissent leurs fonctions prévues. Après maturation, le tissu construit est caractérisé pour déterminer son caractère physique, biologique et biochimique. Ce processus utilise des techniques comme l'histologie ou l'immunohistochimie pour évaluer le comportement tissulaire. Finalement, le tissu bioprinté sera testé pour s'assurer qu'il fonctionne comme prévu. Une large gamme de tests possibles sont disponibles, adaptés aux types tissulaires particuliers.

Quelles sont les applications de l'impression 3D biologique ?

La bioprinting a une liste croissante d'applications, mais les principales fonctions qu'elle remplit à ce stade sont :

1. Évaluation de la performance des médicaments et des réactions indésirables.
2. Tests de toxicologie.
3. Implant patient.

Quels sont les avantages de l'impression 3D biologique ?

La bioprinting est un ensemble puissant de techniques permettant des capacités de plus en plus puissantes dans la plupart des domaines des soins de santé patients, développement de médicaments, environnement et tests de toxicité. Voici quelques-uns de ses avantages :

1. Permet la construction de précision de structures tissulaires complexes.
2. Peut créer des modèles 3D d'organes pour tests de médicaments. Cela permet des tests plus rapides et moins contraints éthiquement des formulations médicamenteuses.
3. Réduit le besoin de tests sur animaux.
4. Peut créer des implants sur mesure, adaptés aux besoins spécifiques d'un patient.
5. Peut construire des tissus et organes vivants pour transplantation, bien que cette capacité soit limitée aux structures simples pour l'instant. Ceux-ci seront construits à partir des cellules du patient, donc le rejet est minimal.

Quelles sont les limitations de l'impression 3D biologique ?

La bioprinting a de sévères limitations qui font l'objet de recherches approfondies, notamment :

1. Ne peut pas encore imprimer des tissus et organes complexes avec divers types cellulaires, vaisseaux sanguins et nerfs.
2. Les matériaux de bioprinting sont coûteux et difficiles à produire.
3. La mécanique des processus d'impression endommage ou détruit souvent les cellules. Cela limite la viabilité des tissus imprimés.
4. Technologie encore coûteuse et intensive en laboratoire. Elle utilise des équipements onéreux et requiert des compétences extraordinaires.
5. Il n'existe pas encore de normes ou directives largement acceptées. L'évaluation des résultats entre méthodes et groupes de recherche est difficile.

Comment l'impression 3D biologique stimule-t-elle l'innovation dans l'industrie médicale ?

La bioprinting est appelée à devenir l'outil principal de chirurgie régénérative pour un large spectre de maladies dégénératives et conditions physiologiques. Imprimer un nouveau cœur fonctionnel pour remplacer celui endommagé d'un patient reste une perspective lointaine, mais les premiers blocs de construction sont en place. Actuellement, la bioprinting raccourcit et réduit le coût des cycles d'évaluation et de certification des médicaments. Elle réduit les barrières à l'entrée sur le marché pour de nouveaux produits pharmaceutiques.

Quel type d'impression 3D est la bioprinting ?

La bioprinting est généralement basée sur des méthodes stéréolithographiques, construisant les tissus couche par couche à partir d'un fichier 3D. La prochaine révolution fera probablement évoluer cela davantage vers l'auto-organisation, au moins dans la distribution et le positionnement cellulaires.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur les 8 types de processus d'impression 3D.

L'impression 3D et l'impression 3D biologique sont-elles la même chose ?

Non, l'impression 3D et l'impression 3D biologique ne sont pas la même chose, mais il y a des zones de similitude. Certains outils utilisés en bioprinting sont interchangeables avec ceux du secteur du prototypage rapide. Cependant, la divergence entre les deux secteurs est claire et devrait s'accélérer rapidement. La bioprinting dépasse rapidement les limitations de complexité du secteur du prototypage rapide, les chercheurs cherchant à produire des résultats toujours plus complexes et plus performants.

Résumé

Cet article a présenté l'impression 3D biologique, l'a expliquée et discuté ses différents types et applications. Pour en savoir plus sur l'impression 3D dans d'autres industries, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est diplômé B.Eng Honors en Génie Mécanique avec plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel inclut des rôles significatifs dans des entreprises leaders telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus et innovations d'ingénierie.

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