En raison de son applicabilité potentielle dans pratiquement toutes les industries à travers le monde, la technologie d’impression 3D a attiré de nombreux investissements et soutien à la recherche.
Au cours de la décennie précédente, la technologie s’est considérablement améliorée, de la fabrication de composants de remplacement de machines à la conception de prototypes à partir de zéro. Parallèlement à cette marche imparable vers l’avenir, certaines utilisations prospectives particulièrement intrigantes de la technologie ont émergé. L’impression 3D en biologie en fait partie.
Alors, apprenons-en plus sur l’impact de la bio-impression sur la recherche médicale.
Impression 3D en biologie
La bioimpression 3D est un type de fabrication additive qui imprime des structures vivantes couche par couche. Imitant le comportement des systèmes vivants naturels, la technologie utilise des cellules et d’autres matériaux biocompatibles comme « encres », également appelées bio-encres.
La bioimpression est un hybride de techniques d’impression biologique et 3D. Les chercheurs en bio-impression développent un créneau qui dépasse peut-être les limites du concevable en utilisant l’ingénierie des biomatériaux et en appliquant des processus de production uniques utilisés pour les imprimantes 3D ordinaires.
Comment fonctionne la bio-impression 3D ?
La bio-impression 3D commence par un modèle d’un bâtiment construit couche par couche à partir d’une bio-encre qui est soit mélangée avec des cellules vivantes, soit ensemencée avec des cellules une fois l’impression terminée.
Une tomodensitométrie ou une IRM, un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) ou un fichier acquis à partir de sites Web en ligne peuvent tous être utilisés comme modèles de départ. Le fichier de modèle 3D est ensuite envoyé dans une trancheuse, qui est un type spécialisé d’application informatique qui analyse la géométrie du modèle et génère une séquence de couches minces, ou tranches, qui, lorsqu’elles sont superposées verticalement, forment la forme du modèle d’origine.
Après avoir découpé un modèle, les tranches sont converties en données de chemin et enregistrées en tant que fichier g-code qui peut être soumis à une bio-imprimante 3D pour impression.
Pourquoi l’impression 3D en biologie (bioimpression) est-elle importante ?
La bio-impression 3D peut être utilisée pour fabriquer des modèles et des tissus vivants pour une variété d’applications. Les organes modèles peuvent être utilisés pour enseigner la chirurgie aux étudiants en médecine et leur offrir une expérience réaliste.
Étant donné que le tissu épithélial (peau) est bio-imprimé plus efficacement, les personnes qui ont besoin de greffes de peau ou de traitements comparables après avoir souffert de brûlures peuvent utiliser des tissus vivants. La bioimpression pourrait un jour être utilisée pour créer de véritables organes fonctionnels destinés à la transplantation et pour résoudre les problèmes associés à certains troubles.
Nouvelles innovations en bio-impression 3D
Des structures bio-imprimées, telles qu’un organe sur puce, peuvent être utilisées pour étudier le fonctionnement du corps humain in vitro (à l’extérieur du corps), en 3D.
Une structure bio-imprimée en 3D a une géométrie plus proche de celle d’un système biologique naturel qu’une étude in vitro 2D, ce qui la rend plus pertinente sur le plan biologique. Il est principalement utilisé dans l’ingénierie tissulaire et la bio-ingénierie, ainsi que dans la science des matériaux.
Il existe d’autres innovations pertinentes dans la bio-impression qui ont un impact sur le créneau médical complet pour le plus grand bien.
L’impression 3D dans les soins de santé
Le lien qui existe entre l’impression 3D et l’industrie de la santé relève plus de la science-fiction que de la réalité.
La technologie d’impression 3D est utilisée par les professionnels de la santé pour créer des prothèses personnalisées pour les patients, des guides de coupe et de forage chirurgicaux, et même des copies d’os, d’organes et d’artères sanguines spécifiques au patient. Parce que les soins de santé de chaque patient sont uniques, cela permet de réduire considérablement les coûts et le temps des procédures.
Brûlures et problèmes de peau
Certaines techniques de bio-impression sont passées du laboratoire aux tests cliniques. Cellink s’est associé à GE Healthcare et à l’Université d’Ume l’année dernière pour commencer à traiter les patients brûlés en utilisant une peau bio-imprimée à partir de leurs propres cellules. L’objectif de la collaboration est de créer des constructions de peau transplantables qui amélioreront la qualité de vie des brûlés.
Médicament
Une solution viable à la liste d’attente de transplantation d’organes est urgente. La communauté scientifique a déjà réussi à réunir des équipes multidisciplinaires de chercheurs, de médecins et d’ingénieurs pour s’attaquer à certains des problèmes les plus urgents de l’humanité, et la bio-impression 3D est une nouvelle technologie passionnante qui a le potentiel d’effacer la liste d’attente des greffes d’organes.
Au fur et à mesure que la bio-impression progressera, elle sera capable d’imprimer en 3D des greffes de peau et d’os, des patchs d’organes et peut-être des organes de remplacement entiers en utilisant les propres cellules d’un patient.
La médecine personnalisée et régénérative devient de plus en plus populaire, et la bio-impression 3D aidera les médecins et les chercheurs à mieux cibler les thérapies et à améliorer les résultats pour les patients.
Pharmaceutique
Pour la recherche pharmaceutique, la bio-impression 3D offre une solution plus rapide, moins coûteuse et plus biologiquement pertinente pour l’homme tout en évitant les tests sur les animaux.
Comment imprimer un orgue en 3D ?
Les chercheurs scannent l’organe du patient pour identifier la taille et la forme qui lui sont propres. Ensuite, ils construisent un échafaudage sur lequel les cellules se développent en trois dimensions, puis y ajoutent des cellules du patient. C’est un travail ardu et chronophage qui peut prendre jusqu’à huit semaines.
Enfin, un bioréacteur offre les meilleures conditions pour que les cellules se transforment en organes. L’échafaudage a déjà disparu ou disparaîtra peu après la chirurgie lorsque les chirurgiens insèrent finalement l’organe dans le patient.
Quelles sont les applications de la bio-impression 3D ?
En raison de son applicabilité potentielle dans toutes les industries à travers le monde, la technologie d’impression 3D a attiré de nombreux investissements et soutien à la recherche. Au cours de la décennie précédente, cette technologie s’est considérablement améliorée, de la fabrication de composants de remplacement de machines à la conception de prototypes à partir de zéro.
Médecine de précision
Il peut être utilisé de diverses manières en médecine de précision, y compris la création d’organes personnalisés, de greffes de peau et de pièces mécaniques, ainsi que l’impression de nanoparticules, de repas et de médicaments ciblés adaptés au microbiote et à la physiologie d’une personne. Ce sera l’un des catalyseurs de la prochaine génération d’innovations en matière de soins de santé individualisés.
Organogenèse
Pour imiter la formation d’organes humains, l’impression 3D sera utilisée pour générer des structures anatomiques dans des cultures cellulaires. Il sauvera de nombreuses vies en permettant des greffes plus rapides, compatibles et ne nécessitant pas de traitement anti-rejet à vie.
La majorité des donneurs d’organes proviennent d’accidents de voiture. De ce fait, les voitures autonomes généreraient des pénuries insurmontables, faisant de l’organogenèse un incontournable.
Les gens pourront bientôt utiliser l’impression 3D pour résoudre l’un des problèmes les plus urgents au monde : la lutte contre la faim. Les repas imprimés en 3D offrent une solution à long terme pour notre population croissante.
Des cartouches d’huile et de poudre seront utilisées pour préparer des repas nutritifs qui fourniront aux gens les calories dont ils ont besoin pour s’épanouir. Étant donné que les cartouches ont une durée de conservation de 30 ans, cette approche contribuera également à réduire le gaspillage alimentaire.
Quelles sont les avancées de la bio-impression 3D ?
Peau vivante
Le Rensselaer Polytechnic Institute de New York a développé une méthode d’impression de peau vivante qui peut être utilisée dans les greffes de peau et s’adapte au type de tissu du patient. Leur méthode innovante de bio-impression promet de fabriquer des tissus artificiels au niveau nécessaire à l’intégration corporelle
. Des organes plus complexes peuvent être générés artificiellement et utilisés dans des greffes, compatibles avec le corps humain normal, grâce à un biomatériau vivant comme celui donné dans cette méthode.
Impression du coeur humain
Des ingénieurs du Collège d’ingénierie de l’Université Carnegie Mellon ont affirmé en novembre 2020 qu’ils avaient réussi à imprimer un cœur humain réaliste suffisamment solide pour que les chirurgiens puissent pratiquer la chirurgie cardiaque.
Il s’agit d’un grand progrès car auparavant, les modèles d’organes bio-imprimés étaient soit trop rigides, soit trop mous pour être utiles.
Tissu vasculaire
Des chercheurs du Wyss Institute de l’Université Harvard ont mis au point une méthode de production de tissu vasculaire (ou vaisseau sanguin) qui était près de dix fois plus épais que le tissu vasculaire bio-imprimé antérieur.
Les cellules endothéliales (cellules qui tapissent la paroi interne des artères sanguines) ont été placées dans un moule en silicone et une approche multi-matériaux a été utilisée pour y parvenir.
Tester des médicaments sur les animaux
La bioimpression peut potentiellement réduire le besoin d’expérimentation animale de nouveaux médicaments. C’est un bon potentiel de marché pour les sociétés pharmaceutiques d’économiser des milliards de dollars en remplaçant des essais cliniques longs et coûteux qui ne donnent souvent aucun résultat.
Dans de nombreuses circonstances, tester des médicaments sur des souris, des lapins ou d’autres animaux est inefficace car la substance peut avoir un effet différent sur les humains.
Le tissu imprimé en 3D, en revanche, s’est avéré être une excellente méthode pour tester de nouveaux médicaments, permettant aux médicaments d’être évalués de manière approfondie et mis sur le marché plus rapidement sans nuire aux sujets des tests sur les animaux.
Quels sont les défis de la bio-impression 3D ?
Malgré le fait que la bio-impression 3D progresse à un rythme louable, avec des chercheurs travaillant à développer de nouvelles modalités d’impression et à améliorer celles existantes, il reste encore de nombreux obstacles à surmonter.
Seules quelques bio-encres sont maintenant disponibles qui sont à la fois bio-imprimables et reflètent de manière adéquate l’architecture tissulaire requise pour restaurer la fonction des organes après l’impression.
Alors que les bio-encres fabriquées à partir d’hydrogels d’origine organique favorisent la croissance cellulaire, les hydrogels synthétiques sont plus durables mécaniquement. En conséquence, les bio-encres hybrides devraient être conçues pour incorporer toutes ces fonctionnalités.
La conclusion
Il est difficile de prévoir toutes les façons dont une technologie révolutionnaire comme la bio-impression changera la façon dont les médecins traitent leurs patients. Mais certains des jalons que les chercheurs ont déjà atteints suggèrent que les conséquences seront importantes.
L’impression 3D en biologie est un secteur en plein essor avec beaucoup de potentiel. Des équipes du monde entier tentent d’améliorer cette technologie, qui peut fournir des modèles chirurgicaux réalistes, des tissus vivants pour les tests de dépistage de drogues et des nutriments pour aider à réparer les tissus existants. La bioimpression pourrait un jour créer des organes fonctionnels pour la transplantation, sauver des vies et atténuer la pénurie actuelle d’organes.
