La bioimpression 3D expliquée :définition, historique, mécanismes et types clés

La bio-impression 3D représente un groupe de technologies à un stade précoce. Ces domaines de recherche examinent l'utilisation de matériaux biologiques dans l'impression d'implants fonctionnels et de dispositifs de test qui simulent, stimulent ou reproduisent des tissus réels, soit pour des implants de patients, soit pour des outils de recherche. Bien que ces technologies n’en soient qu’à leurs débuts, elles semblent prometteuses de changements de paradigme dans les interventions médicales qui auront des implications dramatiques et de grande envergure.

Cet article abordera :Qu'est-ce que la bio-impression 3D ? , son histoire, son fonctionnement et ses types.

Qu'entend-on par bioimpression 3D ?

La bio-impression 3D consiste à utiliser des matériaux biologiques et biofonctionnels dans la fabrication additive. Des imprimantes hautement spécialisées sont utilisées pour créer des structures 3D constituées de ces matériaux biologiques. Quelques exemples sont :les cellules vivantes, les matériaux de structure ou d’échafaudage bioactifs et les biomolécules. Le processus utilise des méthodes d'impression 3D typiques pour déposer le matériau biologique en couches, ce qui donne lieu à des constructions d'imitation biologique, de charpente et de substitution à des fins médicales diverses.

Le but de cette bio-impression 3D est la fabrication de structures tissulaires complexes et hautement fonctionnelles et éventuellement d’organes. Ceux-ci sont utilisés à des fins médicales telles que l’implantation de patients, le test de médicaments et la modélisation de pathologies. Cette technologie fonctionne actuellement à des niveaux assez primitifs. En termes de fonctionnement des tissus, cependant, les progrès de la recherche suggèrent que cela révolutionnera les soins de santé en permettant la fabrication sur mesure d'organes fonctionnellement similaires (ou meilleurs que) les tissus naturels qu'ils reproduisent.

Quand la bio-impression 3D a-t-elle commencé ?

Il n’y a pas un seul moment où les technologies et la recherche qui ont abouti à la bio-impression 3D se sont soudainement transformées en solutions pour les patients. Cependant, plusieurs événements marquants s’avèrent déterminants dans la définition des fondements de cette technologie. Gabor Forgacs a observé que les cellules pouvaient être organisées en « nouvelles » structures spatiales et qu'elles combineraient et conserveraient la structure indéfiniment. Cette compréhension s'est ensuite avérée essentielle à la construction 3D de structures biologiques, car elle a enseigné qu'elles pouvaient être amenées à conserver une forme.

Les matériaux biocompatibles ont commencé à être utilisés dans les solutions de soins de santé régénératifs vers 2000. Cela a conduit directement à la construction d’échafaudages spatiaux, développés à l’Université de Wake Forest. Les échafaudages ont été colonisés avec des cellules de patients en culture et implantés sans rejet ni médicament immunosuppresseur. Ceux-ci se sont révélés stables à long terme. En 2002, la technologie de bio-extrusion a été rapportée par Landers et commercialisée sous le nom de « Bioplotter 3D ». Wilson et Boland ont utilisé une imprimante à jet d'encre HP modifiée comme bio-imprimante en 2003, puis ont développé en 2004 la bio-impression chargée de cellules avec une imprimante SLA commerciale pour construire des échafaudages.

Comment fonctionne la bio-impression 3D ?

Le processus de bio-impression 3D comprend généralement ces étapes :

1. Créez une conception 3D des tissus ou des organes qui seront imprimés. Des outils tels que BioPrint Pro d'Allevi 3D se développent rapidement.
2. Sélectionnez la bio-encre idéale. Le matériau utilisé dans l’impression 3D contient des matériaux tels que :des protéines et des facteurs de croissance dans des résines biocompatibles et photodurcies. Il s’agit de matériaux disponibles dans le commerce, prêts à imprimer des équipements de bio-imprimante SLA inappropriés. Avant l'impression, ils doivent être infusés avec des cellules de patients cultivées qui seront stimulées pour « faire croître » l'organe.
3. La bio-imprimante construit le modèle tel que conçu et le traite via un logiciel de découpe standard. Les bio-encres sont formulées pour diverses méthodes de production, telles que l'extrusion, le jet d'encre et l'impression SLA. La bio-encre déposée fusionne pour former une structure poreuse, prête pour la maturation cellulaire.
4. La structure imprimée est durcie pour obtenir une forme réticulée plus stable par divers processus adaptés à des types particuliers de bio-encres.
5. Après la réticulation, le support imprimé est incubé dans un bioréacteur. Le tissu/organe imprimé sera traité comme un être vivant dans ce processus, afin d'optimiser son développement.

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

Quelle est l'importance de la bio-impression 3D ?

L’utilisation croissante de la bio-impression dans tous les domaines des soins aux patients, du développement de médicaments et de la recherche est le résultat du développement d’une boîte à outils de plus en plus puissante. Il s’agit du premier stade de ce qui deviendra probablement la fabrication de tissus et d’organes de remplacement complet. La possibilité de fabriquer sur mesure de nouveaux organes pour des implants chirurgicaux est sur le point de révolutionner l’ensemble du secteur médical. Il permet de traiter des patients avec les tissus du patient induits pour délivrer de nouvelles greffes parfaites et « réelles » avec peu ou pas de risque de rejet. La figure 1 est un exemple d'organe bio-imprimé :

Organe bio-imprimé en 3D.

Crédit image :Shutterstock.com/guteksk7

Quel est le but de la bio-impression 3D ?

La bio-impression est le processus consistant à fournir des échafaudages prêts à être incubés et peuplés de cellules de patients qui peuvent être incubés et nourris pour devenir des organes de remplacement. Il s’agit d’une étape clé et irremplaçable dans la fourniture de tissus et d’organes transplantables prêts au patient, que le système immunitaire du patient reconnaîtra comme « lui-même ». 

Quels sont les différents types de bio-impression 3D ?

La bio-impression s'est développée selon trois axes distincts, chacun avec ses difficultés et ses avantages :

1. Bio-impression à jet d'encre

La bio-impression à jet d'encre utilise une impression à jet d'encre spécifiquement modifiée pour placer des cellules vivantes et des biomatériaux sur une construction 3D stéréolithographique afin de construire des structures biologiques :tissus et organes. La tête d'impression distribue de l'encre biologique contenant des cellules du patient et un support biologique, fournissant une « image » de chaque tranche de la conception 3D, construite sur la couche précédente. Ces bio-encres contiennent des éléments durcis aux UV ou durcis à la chaleur qui intègrent et lient chaque couche à celle du dessous. De cette manière, les tissus tels que conçus sont disposés dans une structure 3D qui peut ensuite être incubée jusqu'à maturité.

La bio-impression à jet d'encre est haute résolution, haute vitesse et adaptée à l'application de plusieurs types de cellules ou biomatériaux en une seule impression. Bien qu'elle soit encore loin d'être courante, cette technologie constitue une méthode expérimentale clé en ingénierie tissulaire pour la médecine régénérative et implantaire ainsi que dans les tests de médicaments.

2. Bio-impression assistée par pression

La bio-impression assistée par pression utilise une distribution pneumatique ou hydraulique de fines gouttelettes de bio-encre sur une plate-forme de construction. Cela construit les tissus comme prévu, selon un processus couche par couche. Lorsque la couche de bio-encre est déposée, elle est durcie par exposition à la lumière ultraviolette ou par changement de température. Ce processus permet de créer une structure intégrale qui peut être incubée pour faire mûrir les tissus prêts pour le patient (ou le test de recherche). Ce processus est plus simple à bien des égards que les alternatives. Il permet le placement de cellules mixtes, pour une imitation plus proche des tissus réels. La résolution est inférieure, car elle est basée sur des gouttelettes extrudées. Dans de nombreux cas, il s'agit d'un léger inconvénient par rapport à une méthode de construction tissulaire par ailleurs puissante.

3. Bio-impression assistée par laser

La bio-impression assistée par laser utilise un laser pour transférer et déposer avec précision des cellules vivantes ou des biomatériaux sur une plateforme de construction. Il crée les structures biologiques 3D souhaitées, telles que les tissus et les organes. Le faisceau laser évapore le matériau du substrat sur une bande de transfert chargée de bio-encre. Cela provoque l’évaporation instantanée du substrat et l’éjection de la bio-encre sur la construction. Cela dépose des gouttelettes précises de bio-encre sur la construction couche par couche pour créer la structure 3D souhaitée. Il s'agit d'une simulation proche de l'impression à jet de bulles.

La bio-impression laser offre divers avantages par rapport aux autres techniques d'impression 3D, notamment un contrôle de haute précision sur le placement des cellules, la possibilité d'imprimer en haute résolution et la possibilité d'utiliser une gamme de biomatériaux, y compris ceux ayant des compositions plus complexes. Une puissance laser excessive peut entraîner des dommages cellulaires, et la technique est mal équipée pour fournir des densités cellulaires élevées.

Quelles sont les différentes approches de bio-impression 3D ?

Les différentes approches de bio-impression 3D sont répertoriées ci-dessous :

1. Biomimétisme

Le biomimétisme utilise des processus et des matériaux tissulaires naturels pour résoudre des problèmes de bio-impression structurelle et fonctionnelle. Le biomimétisme peut créer des méthodes plus efficaces pour produire des tissus et organes biologiques étroitement analogues. L’utilisation de matériaux de matrice extracellulaire naturelle (ECM) pour créer des échafaudages pour l’ingénierie tissulaire est une forme de biomimétisme. L'ECM fournit un soutien structurel aux cellules. L'utilisation de matériaux ECM naturels comme le collagène et l'acide hyaluronique peut améliorer l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des tissus imprimés.

L’utilisation de bio-encres contenant des matériaux non naturels imitant les propriétés des tissus naturels, telles que la rigidité, l’élasticité et l’adhésion cellulaire, peut contribuer à créer des tissus imprimés plus fonctionnels. Certains chercheurs explorent des méthodes d'impression 3D qui imitent la façon dont les araignées tissent des toiles pour créer des propriétés complexes et plus typiques de la nature dans les structures biologiques imprimées.

2. Auto-assemblage autonome

L'auto-assemblage autonome cherche à permettre aux cellules de s'auto-organiser et de former les structures requises sans avoir besoin d'une 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 du patient sont mélangées à une bio-encre contenant un gel qui peut être moulé dans la forme requise. Les cellules et la bio-encre sont ensuite incubées pour permettre l’auto-organisation. Cela forme des structures de tissus ou d’organes plus proches de la nature. Cette approche est différente des méthodes traditionnelles de bio-impression, dans lesquelles les cellules sont placées avec précision selon un motif prédéterminé pour créer une structure.

La bio-impression autonome à auto-assemblage présente des avantages majeurs par rapport à la bio-impression traditionnelle si elle peut être réalisée de manière reproductible et prévisible. Par exemple, il permet la création de structures tissulaires plus complexes et plus réalistes en mobilisant des processus développementaux et morphogénétiques. La suppression du besoin de manipulation externe réduit les dommages cellulaires qui peuvent constituer un obstacle à la bio-impression.

Les chercheurs développent de nouveaux matériaux et techniques pour guider le processus d’auto-assemblage naturel et intrinsèque, afin d’obtenir un résultat plus naturel et plus fonctionnel. Il s'agit peut-être du domaine de recherche le plus important en matière de bio-impression, car il a le potentiel de provoquer une autre révolution dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative.

3. Mini-mouchoirs

Les mini-tissus (ou microtissus) sont des structures cellulaires tridimensionnelles limitées. Ceux-ci sont utilisés dans la découverte de médicaments, les tests de toxicité et l’ingénierie tissulaire, et en particulier pas comme implants pour patients. Ils sont imprimés par les méthodes généralement utilisées :des bio-encres normales mélangées à des cellules vivantes. La création de mini-tissus offre des avantages par rapport aux cultures cellulaires traditionnelles en boîte de Petri en 2D qui sont autrement utilisées. En imitant plus fidèlement la complexité des tissus naturels, ils offrent des résultats plus réalistes pour les tests de drogues et le dépistage de la toxicité. Les chercheurs espèrent assembler des tissus et des organes plus grands qui pourraient potentiellement être utilisés comme implants chez les patients en imprimant de petits éléments constitutifs.

Quelles sont les étapes du processus de bio-impression 3D ?

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

1. Pré-bio-impression

Le processus de pré-bio-impression se compose de différentes étapes qui doivent toutes être parfaitement exactes :les marges de variance et d'erreur sont minimes si l'on veut que le résultat soit une structure tissulaire utile. La première étape consiste à conceptualiser et à spécifier la structure souhaitée. Cela définira la forme, la taille et les propriétés physiques générales du tissu ainsi que les types de cellules et de matériaux de soutien/nutriments qui seront utilisés. Une fois les contours de la structure définis, des outils de CAO spécialisés sont utilisés pour créer un modèle 3D très détaillé de la structure. Une bio-encre appropriée est ensuite sélectionnée ou créée, contenant le mélange structurel, durcissant et nutritif approprié pour les tissus à cultiver. La sélection cellulaire et la culture in vitro constituent l'étape la plus délicate, impliquant l'incubation et la stimulation de la reproduction des cellules dans un milieu de culture dans des conditions étroitement contrôlées, afin de garantir leur viabilité et leur suffisance.

2. Bio-impression

La bio-impression est l’étape finale de réalisation qui consiste à effectuer le travail de base et à générer l’échantillon de tissu requis. Il est prêt pour l'incubation et les utilisations prévues pour l'évaluation de médicaments, les tests de toxicité ou l'implantation sur un patient. L'échantillon de tissu est construit soit par des méthodes stéréolithographiques, soit par l'auto-organisation conçue dans le plan.

3. Post-bio-impression

Après la bio-impression, diverses étapes de traitement critiques garantissent le fonctionnement et la viabilité des tissus construits. Premièrement, le matériau de la matrice imprimée doit être réticulé pour créer une structure robuste et stable. Diverses méthodes sont disponibles, généralement le durcissement aux UV, le traitement thermique et les agents chimiques appliqués en externe. La maturation/incubation permet ensuite aux cellules de se diviser et de se différencier. Des conditions environnementales étroitement contrôlées sont nécessaires pour que cela se produise. Pendant la maturation, puis une fois parvenue à maturité, la viabilité des cellules est évaluée pour garantir qu'elles remplissent les fonctions prévues. Après maturation, le tissu construit est caractérisé pour déterminer son caractère physique, biologique et biochimique. Ce processus utilise des techniques telles que l'histologie ou l'immunohistochimie pour évaluer le comportement des tissus. Enfin, le tissu bio-imprimé sera testé pour s'assurer qu'il fonctionne comme prévu. Un large éventail de tests possibles est disponible, adapté à des types de tissus particuliers.

Quelles sont les applications de la bio-impression 3D ?

La bio-impression a une liste croissante d'applications, mais les principales fonctions qu'elle remplit à ce stade sont répertoriées ci-dessous :

1. Évaluation des performances des médicaments et des effets indésirables.
2. Tests toxicologiques.
3. Implant du patient.

Quels sont les avantages de la bio-impression 3D ?

La bio-impression est un ensemble puissant de techniques qui permettent des capacités de plus en plus puissantes dans la plupart des domaines des soins de santé des patients, du développement de médicaments, de l'environnement et des tests de toxicité. Voici quelques-uns de ses avantages :

1. Permet la construction précise de structures tissulaires complexes.
2. Peut être utilisé pour créer des modèles 3D d'organes destinés au dépistage des drogues. Cela permet de tester les formulations de médicaments plus rapidement et avec moins de restrictions éthiques.
3. Réduit le besoin de tests sur les animaux.
4. Peut créer des implants personnalisés, adaptés aux besoins spécifiques d'un patient.
5. Peut fabriquer des tissus et des organes vivants destinés à être transplantés, bien que cette capacité soit encore limitée à des structures simples. Ceux-ci seront construits à partir des cellules du patient, le rejet s'avère donc minime.

Quelles sont les limites de la bio-impression 3D ?

La bio-impression présente de graves limites qui font l'objet de recherches approfondies, notamment :

1. Il est actuellement impossible d'imprimer des tissus et organes complexes comportant différents types de cellules, vaisseaux sanguins et nerfs.
2. Les matériaux de bio-impression sont coûteux et difficiles à produire.
3. Les mécanismes des processus d'impression endommagent ou détruisent souvent les cellules. Cela limite la viabilité des tissus imprimés.
4. Il s'agit toujours d'une technologie coûteuse et intensivement basée sur des laboratoires. Cela utilise un équipement coûteux et nécessite des compétences extraordinaires.
5. Il n'existe pas encore de normes ni de lignes directrices largement acceptées. L'évaluation des résultats entre les méthodes et les groupes de recherche est un défi.

Comment la bioimpression 3D stimule-t-elle l'innovation dans l'industrie médicale ?

La bio-impression est en passe de devenir le principal outil de chirurgie régénérative pour un large éventail de maladies dégénératives et d’affections physiologiques. L'impression d'un nouveau cœur fonctionnel pour remplacer celui endommagé d'un patient est encore une perspective lointaine, mais les premiers éléments de base sont en place. À l’heure actuelle, la bio-impression raccourcit et réduit le coût des cycles d’évaluation et de certification des médicaments. Cela réduit les obstacles à l'entrée sur le marché des nouveaux produits pharmaceutiques.

Quel type d'impression 3D est la bio-impression ?

La bio-impression repose généralement sur des méthodes stéréolithographiques, construisant des tissus couche par couche à partir d'un fichier 3D. La prochaine révolution ira probablement 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 la bio-impression 3D sont-elles identiques ?

Non, l’impression 3D et la bio-impression 3D ne sont pas identiques, mais il existe des points communs. Certains des outils utilisés en bio-impression sont interchangeables avec ceux du secteur du prototypage rapide. Toutefois, l’écart entre les deux secteurs est évident et devrait s’accentuer rapidement. La bio-impression dépasse rapidement les limites de complexité du secteur du prototypage rapide, alors que les chercheurs cherchent à produire des résultats toujours plus complexes et plus fonctionnels.

Résumé

Cet article présentait la bio-impression 3D, l’expliquait et discutait de ses différents types et applications. Pour en savoir plus sur l'impression 3D dans d'autres secteurs, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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