La croissance des tissus et le comportement des cellules peuvent être particulièrement bien contrôlés et étudiés en intégrant les cellules dans un cadre 3D délicat. Ceci est réalisé à l'aide de méthodes d'impression 3D additives, appelées techniques de « bioimpression ». Cependant, cela implique un certain nombre de défis :certaines méthodes sont très imprécises ou ne permettent qu'une fenêtre de temps très courte dans laquelle les cellules peuvent être traitées sans être endommagées. En outre, les matériaux utilisés doivent être respectueux des cellules pendant et après le processus de bioimpression 3D. Cela limite la variété des matériaux possibles.

Un procédé de bio-impression à haute résolution avec des matériaux complètement nouveaux a maintenant été développé à la TU Wien (Vienne) :grâce à une « encre bio » spéciale pour l'imprimante 3D, les cellules peuvent désormais être intégrées dans une matrice 3D imprimée avec une précision micrométrique, à une vitesse d'impression d'un mètre par seconde, ordres de grandeur plus rapidement qu'auparavant.

L'environnement compte

"Le comportement d'une cellule dépend de manière cruciale de la mécanique, propriétés chimiques et géométriques de son environnement, " dit le professeur Aleksandr Ovsianikov, chef du groupe de recherche Impression 3D et biofabrication à l'Institut des sciences et technologies des matériaux (TU Wien). "Les structures dans lesquelles les cellules sont intégrées doivent être perméables aux nutriments pour que les cellules puissent survivre et se multiplier. Mais il est également important que les structures soient rigides ou flexibles, qu'ils soient stables ou qu'ils se dégradent avec le temps."

Il est possible de produire d'abord des structures adaptées, puis de les coloniser avec des cellules vivantes, mais cette approche peut rendre difficile le placement des cellules profondément à l'intérieur de l'échafaudage, et il est difficilement possible d'obtenir une distribution cellulaire homogène de cette façon. La meilleure option consiste à intégrer les cellules vivantes directement dans la structure 3-D lors de la production de la structure. Cette technique est connue sous le nom de « bioimpression ».

L'impression d'objets 3D d'une finesse microscopique n'est plus un problème aujourd'hui. Cependant, l'utilisation de cellules vivantes pose à la science des défis totalement nouveaux :« Jusqu'à présent, il y a simplement eu un manque de substances chimiques appropriées, " dit Aleksandr Ovsianikov. " Vous avez besoin de liquides ou de gels qui se solidifient précisément là où vous les illuminez avec un faisceau laser focalisé. Cependant, ces matériaux ne doivent pas être nocifs pour les cellules, et l'ensemble du processus doit se dérouler extrêmement rapidement."

Deux photons à la fois

Afin d'obtenir une résolution extrêmement élevée, les méthodes de polymérisation à deux photons sont utilisées à la TU Wien depuis des années. Cette méthode utilise une réaction chimique qui n'est initiée que lorsqu'une molécule du matériau absorbe simultanément deux photons du faisceau laser. Ceci n'est possible que lorsque le faisceau laser a une intensité particulièrement élevée. À ces points, la substance durcit, alors qu'il reste liquide partout ailleurs. Par conséquent, cette méthode à deux photons est la mieux adaptée pour produire des structures extrêmement fines avec une grande précision.

Cependant, ces techniques à haute résolution présentent généralement l'inconvénient d'être très lentes, souvent de l'ordre du micromètre ou de quelques millimètres par seconde. A la TU Vienne, cependant, les matériaux respectueux des cellules peuvent être traités à une vitesse de plus d'un mètre par seconde, un pas en avant décisif. Ce n'est que si l'ensemble du processus peut être achevé en quelques heures qu'il y a de bonnes chances que les cellules survivent et se développent davantage.

De nombreuses nouvelles options

"Notre méthode offre de nombreuses possibilités pour adapter l'environnement des cellules, " dit Aleksandr Ovsianikov. Selon la façon dont la structure est construite, il peut être rendu plus rigide ou plus doux. Même bien, des gradients continus sont possibles. De cette façon, il est possible de définir exactement à quoi doit ressembler la structure afin de permettre le type souhaité de croissance cellulaire et de migration cellulaire. L'intensité du laser peut également être utilisée pour déterminer la facilité avec laquelle la structure sera dégradée au fil du temps.

Ovsianikov est convaincu qu'il s'agit d'un pas en avant important pour la recherche sur les cellules :« En utilisant ces échafaudages 3D, il est possible d'étudier le comportement des cellules avec une précision jusqu'alors inaccessible. Il est possible d'étudier la propagation des maladies, et si des cellules souches sont utilisées, il est même possible de produire des tissus sur mesure de cette manière."

Le projet de recherche est une coopération internationale et interdisciplinaire dans laquelle trois instituts différents de la TU Vienne ont été impliqués :le groupe de recherche d'Ovsianikov était responsable de la technologie d'impression elle-même, l'Institute of Applied Synthesic Chemistry a développé des photoinitiateurs rapides et adaptés aux cellules (les substances qui initient le processus de durcissement lorsqu'elles sont éclairées) et l'Institute of Lightweight Structures and Structural Biomechanics a analysé les propriétés mécaniques des structures imprimées.