Une nouvelle méthode permet une surveillance non invasive du métabolisme de l'oxygène dans des cellules bio-imprimées en 3D dans des structures vivantes complexes. Cela pourrait contribuer aux études de la croissance cellulaire et des interactions dans des conditions semblables à celles des tissus, ainsi que pour la conception de constructions imprimées en 3D facilitant une productivité accrue des microalgues dans les biofilms ou un meilleur apport en oxygène pour les cellules souches utilisées dans les efforts de reconstruction osseuse et tissulaire.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le professeur Michael Kühl au Département de biologie, Université de Copenhague, vient de publier une percée dans la bio-impression 3D. Avec des collègues allemands de l'Université technique de Dresde, Le groupe du professeur Kühl a mis en œuvre des nanoparticules sensibles à l'oxygène dans un matériau de gel qui peut être utilisé pour l'impression 3D de complexes, des biofilms et des structures ressemblant à des tissus abritant des cellules vivantes ainsi que des capteurs chimiques intégrés. L'ouvrage vient d'être publié dans Matériaux fonctionnels avancés .

Kühl explique :« L'impression 3D est une technique répandue pour produire des objets en plastique, métal et autres matériaux abiotiques. De même, les cellules vivantes peuvent être imprimées en 3D dans des matériaux de gel biocompatibles (bioencres) et une telle bioimpression en 3D est un domaine en développement rapide, par exemple. en études biomédicales, où les cellules souches sont cultivées dans des constructions imprimées en 3D imitant la structure complexe des tissus et des os. De telles tentatives manquent de surveillance en ligne de l'activité métabolique des cellules se développant dans des constructions bio-imprimées; actuellement, de telles mesures reposent en grande partie sur un échantillonnage destructif. Nous avons développé une solution en instance de brevet à ce problème."

Le groupe a développé une bioencre fonctionnalisée en mettant en œuvre des nanoparticules luminescentes sensibles à l'oxygène dans la matrice d'impression. Lorsque la lumière bleue excite les nanoparticules, ils émettent une lumière luminescente rouge proportionnellement à la concentration locale en oxygène - plus il y a d'oxygène, la luminescence moins rouge. La distribution de la luminescence rouge et donc de l'oxygène à travers les structures vivantes bio-imprimées peut être imagée avec un système de caméra. Cela permet en ligne, surveillance non invasive de la distribution et de la dynamique de l'oxygène pouvant être mappée à la croissance et à la distribution des cellules dans les constructions bio-imprimées en 3D sans avoir besoin d'un échantillonnage destructeur.

Kuhl dit, "Il est important que l'ajout de nanoparticules ne modifie pas les propriétés mécaniques du bioink, par exemple. pour éviter le stress cellulaire et la mort pendant le processus d'impression. Par ailleurs, les nanoparticules ne doivent pas inhiber ou interférer avec les cellules. Nous avons résolu ces défis, car notre méthode montre une bonne biocompatibilité et peut être utilisée avec des microalgues ainsi que des lignées cellulaires humaines sensibles."

L'étude récemment publiée montre comment les bioencres fonctionnalisées avec des nanoparticules de capteurs peuvent être calibrées et utilisées, par exemple., pour le suivi de la photosynthèse et de la respiration des algues, ainsi que la respiration des cellules souches dans des structures bio-imprimées avec un ou plusieurs types cellulaires.

"Il s'agit d'une percée dans la bio-impression 3D. Il est désormais possible de surveiller le métabolisme de l'oxygène et le microenvironnement des cellules en ligne, et de manière non invasive dans des structures vivantes intactes imprimées en 3D, " explique le professeur Kühl. " L'un des principaux défis de la croissance de cellules souches dans des structures tissulaires ou osseuses plus grandes est d'assurer un approvisionnement suffisant en oxygène pour les cellules. Avec notre développement, il est désormais possible de visualiser les conditions d'oxygène dans des structures bio-imprimées en 3D, qui par ex. permet des tests rapides et l'optimisation de la croissance des cellules souches dans des constructions conçues différemment."

L'équipe est intéressée à explorer de nouvelles collaborations et applications de leurs développements. Kuhl dit, « La bioimpression 3D avec des bioencres fonctionnalisées est une nouvelle technologie puissante qui peut être appliquée dans de nombreux autres domaines de recherche que la biomédecine. Il est extrêmement inspirant de combiner des matériaux aussi avancés, science et technologie des capteurs avec mes recherches en microbiologie et biophotonique, où nous utilisons actuellement la bio-impression 3D pour étudier les interactions microbiennes et la photobiologie."