Scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a trouvé un moyen d'utiliser le pollen de tournesol pour développer un matériau d'encre d'impression 3D qui pourrait être utilisé pour fabriquer des pièces utiles pour l'ingénierie tissulaire, tests de toxicité et administration de médicaments.

Cette encre dérivée du pollen est capable de conserver sa forme lorsqu'elle est déposée sur une surface, ce qui en fait une alternative viable aux encres actuelles utilisées pour l'impression 3D dans le domaine biomédical (également appelée bioimpression). Ces encres sont généralement douces et délicates, Il est donc difficile de conserver la forme et la structure 3D souhaitées du produit final pendant que la bio-imprimante dépose l'encre couche par couche.

Pour illustrer la fonctionnalité de leur encre d'impression 3D à base de pollen, les scientifiques du NTU de Singapour ont imprimé un « échafaudage » de tissu biologique qui, lors d'études en laboratoire, s'est révélé adapté à l'adhésion et à la croissance cellulaires, qui sont essentiels à la régénération des tissus.

Cette nouvelle utilisation du pollen, décrit dans un article scientifique qui a fait la couverture d'une revue scientifique Matériaux fonctionnels avancés, met en évidence son potentiel en tant que matériau alternatif durable aux encres de bio-impression actuelles, a déclaré l'équipe de recherche.

Le co-auteur principal de l'étude, le professeur Cho Nam-Joon de la NTU School of Materials Sciences and Engineering, a déclaré:"La bioimpression peut être difficile car le matériau des encres utilisées est généralement trop doux, ce qui signifie que la structure du produit envisagé peut s'effondrer pendant l'impression. En ajustant les propriétés mécaniques du pollen de tournesol, nous avons développé une encre hybride à base de pollen qui peut être utilisée pour imprimer des structures avec une bonne intégrité structurelle. L'utilisation du pollen pour l'impression 3D est une réalisation importante car le processus de fabrication de l'encre à base de pollen est durable et abordable. Étant donné qu'il existe de nombreux types d'espèces polliniques de tailles distinctes, formes, et propriétés de surface, Les suspensions de microgel de pollen pourraient potentiellement être utilisées pour créer une nouvelle classe de matériaux d'impression 3D respectueux de l'environnement. »

Le co-auteur principal de l'étude, le professeur adjoint Song Juha de la NTU School of Chemical and Biomedical Engineering, a déclaré:"Nos résultats pourraient ouvrir de nouvelles portes à des membranes flexibles personnalisées qui s'adaptent exactement aux contours de la peau humaine, tels que des pansements ou des masques faciaux. Ces membranes souples et flexibles sont généralement fabriquées sur la base d'une géométrie plate, entraînant ainsi des problèmes tels que des fractures dans les couches ou un mauvais ajustement lorsqu'il est appliqué sur de grandes surfaces de peau, comme le visage ou les zones qui voient des mouvements fréquents comme les articulations. En utilisant notre encre d'impression 3D à base de pollen, qui est biocompatible, souple, et à faible coût, nous pouvons fabriquer des membranes adaptées aux contours de la peau humaine et capables de se plier sans se casser."

L'équipe de recherche comprend également le professeur adjoint Jang Taesik de l'Université Chosun en Corée du Sud.

Professeur Paul S. Weiss, Professeur émérite de chimie et biochimie, Bio-ingénierie, et de science et génie des matériaux à l'Université de Californie, Los Angeles, qui n'a pas participé à l'étude, a déclaré que "le pollen est un bionanomatériau fascinant et durable avec une myriade d'utilisations. Chanson, Cho, et leurs équipes l'ont désormais ajouté à l'arsenal de ce qui peut être structuré à plus grande échelle grâce à la fabrication additive, impression en 3D, en l'incorporant à une encre."

Dr Jeffrey S. Glenn, Directeur du Center for Hepatitis and Liver Tissue Engineering à Stanford Medicine, qui n'a pas participé à l'étude, a ajouté que "c'est un article très excitant qui montre la capacité d'imprimer en 3D des structures personnalisées pour la fabrication et l'administration de médicaments avec une durabilité, pas cher, et matériel non toxique."

Comment l'encre hybride à base de pollen est développée

La méthode de bio-impression la plus largement utilisée aujourd'hui est la bio-impression par extrusion, dans lequel les encres sont distribuées en continu à partir de buses et déposées le long de chemins définis numériquement pour fabriquer des structures 3D couche par couche.

L'un des défis de cette méthode est la difficulté de conserver les structures et formes 3D de matériaux mous et délicats comme les hydrogels, cellules, et des biopolymères sans support supplémentaire. Une structure appelée matrice de support, à l'intérieur duquel l'encre douce est déposée pendant le processus d'impression, est généralement utilisé. Cependant, cela crée des déchets puisque la matrice de support devient inutilisable après l'impression.

Le professeur adjoint Song a déclaré :« Les efforts de recherche précédents étaient axés sur le développement de bioencres spéciales pour un dépôt et une imprimabilité efficaces en mélangeant des hydrogels avec des fibres ou des particules. Le principal inconvénient de ces encres composites hydrogel est le colmatage des buses, ce qui est un problème plus important dans les encres avec une teneur plus élevée de telles fibres ou particules. L'encre hybride à base de pollen que nous avons développée, en revanche, est suffisamment résistant mécaniquement pour conserver sa structure sans bloquer l'imprimante."

Le processus de développement de l'encre hybride à base de pollen commence par l'incubation de pollen de tournesol résistant dans une solution alcaline - un processus respectueux de l'environnement similaire à la fabrication de savon - pendant six heures pour former des particules de microgel de pollen.

Le microgel de pollen est ensuite mélangé à des hydrogels tels que l'alginate, un polymère naturel obtenu typiquement à partir d'algues brunes, ou acide hyaluronique, un clair, substance gluante produite naturellement par le corps, pour former l'encre hybride pollen-hydrogel finale.

Échafaudage à base de pollen pour la culture cellulaire et l'administration de médicaments

Comme preuve de concept, les scientifiques ont imprimé un échafaudage d'ingénierie tissulaire à cinq couches, utile pour la culture de cellules, en 12 minutes. Du collagène a ensuite été ajouté à l'échafaudage pour fournir des points d'ancrage auxquels les cellules peuvent adhérer et se développer.

Les scientifiques ont ensuite ensemencé des cellules humaines sur l'échafaudage et ont découvert qu'il avait une efficacité d'ensemencement cellulaire élevée de 96 à 97 %. Il s'agit de performances comparables à celles des hydrogels à cristaux colloïdaux inversés (ICC) qui sont largement utilisés comme plates-formes de culture cellulaire 3D, mais qui prennent du temps et sont laborieux à fabriquer.

Étant donné que le pollen réagit aux changements de pH (lorsqu'un environnement devient acide ou alcalin), l'équipe du NTU a également testé la viabilité de l'échafaudage 3D en tant que système d'administration de médicaments répondant aux stimuli. Lorsqu'un colorant rouge fluorescent a été versé sur l'échafaudage, les scientifiques ont découvert que les particules de microgel de pollen libéraient progressivement le colorant dans l'échafaudage. La quantité et la vitesse de libération ont augmenté avec l'ajout d'un acide. Cela montre qu'il existe un potentiel pour l'échafaudage pollinique à être utilisé comme système d'administration de médicaments à libération contrôlée, dirent les scientifiques. Le professeur Cho a déclaré:"Les particules de microgel de pollen ont une structure de coquille creuse, ce qui signifie qu'ils pourraient potentiellement être utilisés pour transporter de la drogue, cellules, ou des biomolécules dans des plateformes d'administration de médicaments avec des structures 3D personnalisées. Nous examinons maintenant comment nous pouvons utiliser ces échafaudages de microgel de pollen pour des plates-formes de culture cellulaire 3D dans diverses applications biomédicales.

« Il est également possible que l'échafaudage à base de pollen soit utilisé comme transporteur intelligent de médicaments, étant donné la nature sensible au stimulus du pollen. Par exemple, nous pouvons encore ralentir la libération de médicaments en recouvrant l'échafaudage à base de pollen d'une fine couche d'alginate, et stimuler la libération en introduisant un acide."

Structure de support à base de pollen pour les encres d'impression 3D souples

Les scientifiques ont également découvert que les particules de microgel de pollen souples et flexibles, dérivé de grains de pollen durs, pourrait potentiellement servir de matrice de support recyclable, pour une utilisation dans l'impression 3D de forme libre, dans laquelle l'encre douce est déposée. La matrice de support empêche l'effondrement de la structure imprimée lorsque l'encre durcit.

Pour tester la faisabilité de leur approche, les scientifiques ont fabriqué un maillage en caoutchouc de silicone imprimé en 3D pour le coude en utilisant du microgel de pollen comme support qui conserverait la forme du maillage du coude pendant son impression.

Après avoir durci le produit imprimé à 75°C (167°F) pendant 24 heures à l'intérieur du microgel de pollen, les scientifiques ont découvert que le maillage en caoutchouc de silicone imprimé en 3D pouvait s'adapter à la courbure du coude humain. Ils ont également constaté que les propriétés mécaniques des échantillons de caoutchouc de silicone imprimés et durcis dans la matrice de support du microgel de pollen étaient similaires à celles des échantillons fabriqués via la méthode de coulée traditionnelle.

L'utilisation du pollen dans le domaine biomédical s'appuie sur les travaux de l'équipe de recherche NTU sur la réutilisation des grains de pollen, une ressource naturelle renouvelable, en un bloc de construction pour divers matériaux alternatifs respectueux de l'environnement, du papier écologique aux éponges biodégradables qui peuvent absorber les polluants pétroliers.

Cette recherche est alignée sur les ambitions de recherche de NTU dans son plan stratégique 2025 visant à traduire les inventions et la créativité en résultats qui améliorent les avantages économiques et la qualité de vie.

L'équipe cherche maintenant à collaborer avec l'industrie pour affiner son innovation en matière d'impression 3D et faire progresser son adoption commerciale.