Une méthode d'impression d'objets 3D capables de contrôler les organismes vivants de manière prévisible a été développée par une équipe interdisciplinaire de chercheurs du MIT et d'ailleurs. La technique peut conduire à l'impression 3D d'outils biomédicaux, tels que les bretelles personnalisées, qui incorporent des cellules vivantes pour produire des composés thérapeutiques tels que des analgésiques ou des traitements topiques, disent les chercheurs.

Le nouveau développement a été dirigé par le professeur agrégé du MIT Media Lab Neri Oxman et les étudiants diplômés Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, et Sunanda Sharma, ainsi que six autres au MIT et au Wyss Institute de l'Université Harvard et au Dana-Farber Cancer Institute. Le système est décrit dans un article récemment publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

"Nous les appelons des matériaux vivants hybrides, ou HLM, " dit Smith. Pour leurs premières expériences de preuve de concept, l'équipe a incorporé avec précision divers produits chimiques dans le processus d'impression 3D. Ces produits chimiques agissent comme des signaux pour activer certaines réponses chez les microbes génétiquement modifiés, qui sont enduits par pulvérisation sur l'objet imprimé. Une fois ajouté, les microbes affichent des couleurs ou une fluorescence spécifiques en réponse aux signaux chimiques.

Dans leur étude, l'équipe décrit l'apparence de ces motifs colorés dans une variété d'objets imprimés, qui, selon eux, démontre l'incorporation réussie des cellules vivantes dans la surface du matériau imprimé en 3D, et l'activation des cellules en réponse aux produits chimiques sélectivement placés.

L'objectif est de faire un outil de conception robuste pour produire des objets et dispositifs incorporant des éléments biologiques vivants, fabriqué d'une manière aussi prévisible et évolutive que les autres processus de fabrication industrielle.

L'équipe utilise un processus en plusieurs étapes pour produire ses matériaux vivants hybrides. D'abord, ils utilisent une imprimante 3D à jet d'encre multimatériaux disponible dans le commerce, et des recettes personnalisées pour les combinaisons de résines et de signaux chimiques utilisés pour l'impression. Par exemple, ils ont trouvé qu'un type de résine, normalement utilisé uniquement pour produire un support temporaire pour les parties en surplomb d'une structure imprimée, puis dissous après l'impression, pourrait produire des résultats utiles en étant mélangé avec le matériau de résine structurelle. Les parties de la structure qui incorporent ce matériau de support deviennent absorbantes et sont capables de retenir les signaux chimiques qui contrôlent le comportement des organismes vivants.

Finalement, la couche vivante est ajoutée :un revêtement de surface d'hydrogel - un matériau gélatineux composé principalement d'eau mais fournissant une structure en treillis stable et durable - est infusé de bactéries biologiquement modifiées et appliqué par pulvérisation sur l'objet.

« Nous pouvons définir des formes et des distributions très spécifiques des matériaux vivants hybrides et des produits biosynthétisés, qu'il s'agisse de colorants ou d'agents thérapeutiques, dans les formes imprimées, " dit Smith. Certaines de ces formes de test initiales ont été faites sous forme de disques de la taille d'un dollar en argent, et d'autres sous forme de masques colorés, avec les couleurs fournies par les bactéries vivantes au sein de leur structure. Les couleurs mettent plusieurs heures à se développer au fur et à mesure que les bactéries se développent, puis restent stables une fois en place.

"Il y a des applications pratiques passionnantes avec cette approche, puisque les concepteurs sont désormais capables de contrôler et de modéliser la croissance des systèmes vivants grâce à un algorithme de calcul, " dit Oxman. "Combinant la conception informatique, la fabrication additive, et la biologie synthétique, la plate-forme HLM souligne l'impact considérable que ces technologies peuvent avoir dans des domaines apparemment disparates, le design « vivifiant » et l'espace objet."

La plateforme d'impression utilisée par l'équipe permet de faire varier précisément et en continu les propriétés matérielles de l'objet imprimé entre les différentes parties de la structure, avec certaines sections plus rigides et d'autres plus souples, et certains plus absorbants et d'autres hydrofuges. De telles variations pourraient être utiles dans la conception de dispositifs biomédicaux qui peuvent fournir résistance et soutien tout en étant souples et flexibles pour offrir un confort dans les endroits où ils sont en contact avec le corps.

L'équipe comprenait des spécialistes en biologie, bio-ingénierie, et l'informatique pour proposer un système qui donne une structuration prévisible du comportement biologique à travers l'objet imprimé, malgré les effets de facteurs tels que la diffusion de produits chimiques à travers le matériau. Grâce à la modélisation informatique de ces effets, les chercheurs ont produit un logiciel qui, selon eux, offre des niveaux de précision comparables aux systèmes de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisés pour les systèmes d'impression 3D traditionnels.

La plate-forme d'impression 3D multirésine peut utiliser de trois à sept résines différentes avec des propriétés différentes, mélangé dans toutes les proportions. En combinaison avec le génie biologique synthétique, cela permet de concevoir des objets avec des surfaces biologiques qui peuvent être programmées pour répondre de manière spécifique à des stimuli particuliers tels que la lumière ou la température ou des signaux chimiques, de manière reproductible mais entièrement personnalisable, et qui peut être produit à la demande, disent les chercheurs.

"À l'avenir, les pigments inclus dans les masques peuvent être remplacés par des substances chimiques utiles pour l'augmentation humaine telles que des vitamines, anticorps ou médicaments antimicrobiens, " dit Oxman. " Imaginez, par exemple, une interface portable conçue pour guider la formation d'antibiotiques ad-hoc personnalisée pour s'adapter à la constitution génétique de son utilisateur. Ou, envisager des emballages intelligents capables de détecter la contamination, ou des peaux architecturales respectueuses de l'environnement qui peuvent répondre et s'adapter - en temps réel - aux signaux environnementaux. »

Dans leurs tests, l'équipe a utilisé des bactéries E. coli génétiquement modifiées, parce que ceux-ci se développent rapidement et sont largement utilisés et étudiés, mais en principe d'autres organismes pourraient également être utilisés, disent les chercheurs.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.