Les scientifiques ont combiné la technologie d’impression 3D laser et un processus de trempage alternatif pour construire des structures 3D complexes imitant la microstructure osseuse. Il s'agit de la première démonstration de cette méthode de fabrication, et elle mènera au développement de systèmes de culture cellulaire 3D pouvant prendre en charge des greffes osseuses ou créer de la moelle osseuse artificielle.
Leurs recherches sont publiées dans la revue ACS Biomaterials Science &Engineering. , et figure en couverture du numéro publié le 12 février 2024.
L'os est un matériau hybride composé de substances organiques et inorganiques, principalement de fibres de collagène et d'un minéral inorganique appelé hydroxyapatite (HAp). Les fibres de collagène minéralisées s'assemblent pour former une structure hiérarchique qui confère une excellente résistance mécanique et une excellente ténacité à l'os cortical. L'os cortical est la couche externe solide des os longs.
Les microstructures de la moelle osseuse, appelées niches médullaires, agissent comme régulateurs des cellules souches hématopoïétiques. Ce sont des cellules primitives qui se transforment en tous types de cellules sanguines. Cependant, le mécanisme par lequel la niche médullaire maintient les cellules souches hématopoïétiques reste flou.
La transplantation de cellules souches hématopoïétiques offre une stratégie possible pour traiter la leucémie, le lymphome et les maladies immunitaires. Mais il est difficile pour les cellules souches hématopoïétiques de se propager à l’extérieur du corps. La création d’un modèle de transplantation imitant l’environnement de la moelle osseuse pourrait donc être une solution à ces défis, permettant aux cellules souches hématopoïétiques de se multiplier in vitro puis d’être transplantées. De plus, un modèle qui imite l'environnement de la moelle osseuse pourrait aider à clarifier le mécanisme de maintien des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse in vivo.
Lors de recherches antérieures, les scientifiques avaient développé des biomatériaux basés sur le HAp qui imitent la microstructure osseuse. Ils ont utilisé des techniques de microfabrication pour créer des modèles 3D avec HAp, dans le but de construire une microstructure osseuse qui imite un environnement biologique. Des matériaux recouverts de HAp ont été utilisés comme substituts osseux in vivo pour lier l'os défectueux par implantation. Des recherches antérieures ont montré que les matériaux recouverts de HAp peuvent fournir un environnement qui soutient la fonction cellulaire et présente une grande affinité pour les os.
Pourtant, ces recherches antérieures présentaient des limites. "Il a été difficile de fabriquer des matériaux composites organiques et inorganiques 3D avec une structure précise par impression 3D laser", a déclaré Kazutoshi Iijima, professeur agrégé à la faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Yokohama.
La stéréolithographie par balayage laser, une technologie d'impression 3D, peut produire des modèles d'os haute définition. L’équipe a choisi une méthode de fabrication combinant la stéréolithographie par balayage laser avec un processus de trempage alternatif. Avec cette méthode de fabrication, l’équipe a construit des modèles d’hydrogel micro-taille de méthacrylate de gélatine polymérisée, un polymère réticulable biocompatible utilisé en bio-impression. Ils ont modifié les modèles avec HAp en utilisant le processus de trempage alternatif avec une solution d'ions calcium et phosphate. Cette étude est la première démonstration de la modification de HAp sur des modèles imprimés en 3D avec une structure plus complexe, en utilisant le processus de trempage alternatif.
Ils ont conçu et fabriqué des modèles simples en forme de ligne et un modèle pyramidal à structure complexe. Ceux-ci leur ont permis de modifier les modèles fabriqués de différentes tailles avec HAp, en utilisant la méthode du processus de trempage alternatif, sans altérer la microstructure créée par stéréolithographie.
Ils ont testé leurs modèles dans diverses conditions en modifiant le temps d'immersion et le nombre de cycles alternés du processus de trempage. L’équipe a pu contrôler l’épaisseur de la couche HAp en modifiant les conditions du processus de trempage alternatif. Ils ont analysé les modèles de lignes composites et étudié le mécanisme de formation de HAp par un processus de trempage alternatif dans les hydrogels.
"En combinant la technologie d'impression 3D laser et le processus de trempage alternatif, il est devenu possible de construire des matériaux composites 3D précis de méthacrylate de gélatine et d'hydroxyapatite avec une structure précise", a déclaré Hiroki Miyajima, professeur adjoint spécialement nommé à la faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Yokohama. .
Pour l’avenir, l’équipe espère développer des modèles d’os et de moelle osseuse imitant la microstructure des os qui contribuent à la médecine régénérative, comme la régénération du tissu osseux et l’expansion des cellules souches hématopoïétiques.
L'équipe de recherche comprend Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo et Kazutoshi Iijima de l'Université nationale de Yokohama, Japon.
Plus d'informations : Hiroki Miyajima et al, Microfabrication de composites de gélatine méthacrylate/hydroxyapatite en utilisant un processus de trempage alternatif, ACS Biomaterials Science &Engineering (2023). DOI :10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Fourni par l'Université nationale de Yokohama
