De jeunes enfants célèbrent les fêtes cette année avec leur famille, grâce aux dispositifs médicaux imprimés en 3D créés dans le laboratoire du chercheur de Georgia Tech, Scott Hollister. Depuis plus de 10 ans, Hollister et ses collaborateurs ont développé des attelles respiratoires vitales et spécifiques aux bébés atteints de malformations congénitales rares.
Ces dispositifs personnalisés de soutien des voies respiratoires sont fabriqués à partir d'un polyester biocompatible appelé polycaprolactone (PCL), qui présente l'avantage d'être approuvé par la Food and Drug Administration. Les chercheurs utilisent le frittage sélectif au laser pour chauffer la poudre de polyester, qui se lie pour former une structure solide. Les dispositifs fabriqués en PCL ont un excellent dossier de sécurité lorsqu'ils sont implantés chez des patients.
Malheureusement, le PCL présente l'inconvénient d'avoir des propriétés mécaniques relativement rigides et linéaires, ce qui signifie que ce biomatériau prometteur n'a pas encore été appliqué fonctionnellement à d'autres besoins biomédicaux critiques, tels que l'ingénierie des tissus mous. Comment transformer un thermoplastique ferme en quelque chose de flexible et éventuellement capable de grandir avec le patient ? Le laboratoire de Hollister a trouvé comment.
"Conception auxétique 3D", a déclaré Jeong Hun Park, chercheur scientifique dans le laboratoire de Hollister qui a dirigé la récente étude de l'équipe démontrant le succès de l'impression 3D de PCL pour l'ingénierie des tissus mous. Un matériau auxétique, contrairement aux élastiques courants typiques, a un coefficient de Poisson négatif. Cela signifie que si vous étirez un matériau auxétique longitudinalement, il se dilatera également dans le sens latéral, alors que la plupart des matériaux deviendront plus minces latéralement (car ils ont un coefficient de Poisson positif).
Ainsi, une structure auxétique peut se développer dans les deux sens, ce qui est utile lorsque l’on considère les applications biomédicales pour les humains, dont les corps et les parties peuvent changer de taille et de forme au fil du temps et comprendre de nombreuses textures et densités différentes. L'équipe de Hollister a décidé de donner à PCL, habituellement une entreprise, de nouvelles propriétés auxétiques.
"Bien que les propriétés mécaniques et le comportement de la structure 3D dépendent des propriétés inhérentes du matériau de base (dans ce cas, du PCL), ils peuvent également être considérablement modifiés grâce à la conception de l'architecture interne", a expliqué Park.
Park a guidé la conception de structures imprimées en 3D constituées de minuscules entretoises disposées à angle droit – imaginez les os de tout petits gratte-ciel. L'équipe a commencé par créer des structures en forme de cube, pour tester la flexibilité, la résistance et la perméabilité de la conception auxétique.
Les travaux sont publiés dans la revue Advanced Functional Materials .
Comportement flexible
Fondamentalement, un matériau auxétique est une structure de réseau conçue en assemblant des cellules unitaires. Ces cellules unitaires sont constituées d'entretoises et de leurs articulations qui se croisent, qui constituent un aspect important du comportement d'un dispositif auxétique. La rotation de ces joints qui se croisent au sein du réseau, sous compression ou extension, provoque un comportement de Poisson négatif. Il permet également des performances avancées pour un périphérique imprimé, notamment l'absorption de l'énergie d'impact, la résistance à l'indentation et une grande flexibilité.
"Quand vous regardez les chiffres, basés sur les travaux de Jeong Hun, la nouvelle structure est environ 300 fois plus flexible que la structure solide typique que nous fabriquons à partir de PCL dans notre laboratoire", a déclaré Hollister, professeur au département de Wallace H. Coulter. Génie biomédical à Georgia Tech et Emory University, où il est également titulaire de la chaire Patsy et Alan Dorris en technologie pédiatrique et est président associé du département pour la recherche translationnelle.
La combinaison de flexibilité et de résistance dans un dispositif est ici particulièrement importante, a déclaré Park, car le but ultime de la recherche est « d'appliquer cette structure pour développer un implant de reconstruction mammaire ayant des propriétés biomécaniques comparables à celles du tissu mammaire natif. "Il n'existe pas d'option d'implantation mammaire biodégradable en milieu clinique."
Il a expliqué que ces implants biodégradables de reconstruction mammaire servent en quelque sorte d’échafaudage. L'idée est que le matériau biocompatible (PCL) finit par se dégrader et est absorbé par le corps, tout en conservant des propriétés mécaniques similaires à celles du tissu mammaire natif.
"Nous espérons que les tissus natifs seront d'abord infiltrés dans les pores de l'implant biodégradable", a déclaré Park. "Le volume des tissus augmentera alors à l'intérieur de l'implant à mesure qu'il se dégrade et finalement le dispositif lui-même sera remplacé par le tissu après la dégradation complète de l'implant."
Essentiellement, l'implant mammaire imprimé en 3D est conçu pour fournir un soutien reconstructif tout en facilitant la croissance de nouveaux tissus.
L'espace entre ces minuscules entretoises fait toute la différence pour le plus grand appareil, lui conférant une douceur et une souplesse qui auraient été impossibles autrement. Ces espaces pourront éventuellement être remplis d'hydrogel qui contribuera à favoriser la croissance des cellules et des tissus.
L'auxétique architecturale de l'équipe inclut également la conception de vides et d'espaces internes à l'intérieur des entretoises, créant une sorte de microporosité qui permet le transport massif d'oxygène, de nutriments et de métabolites pour favoriser l'expansion et la croissance d'un réseau cellulaire.
Park travaille avec la chirurgienne d'Emory Angela Cheng pour soumettre une subvention pour des recherches plus approfondies et des tests sur l'implant mammaire. Et l’équipe adapte déjà la technologie à d’autres applications. L'un des collaborateurs de cette recherche, par exemple, est Mike Davis, dont le laboratoire à Emory se concentre sur la régénération cardiaque.
"En raison de sa grande flexibilité, ils l'utilisent pour reconstruire du tissu myocardique infarci ou nécrotique", a déclaré Hollister.
Et Park a développé une version auxétique de l'attelle trachéale pédiatrique. "L'avantage est qu'avec cette conception, il peut s'étendre dans deux directions", a-t-il déclaré. "Ainsi, à mesure que les jeunes patients grandissent, le nouveau dispositif grandira avec eux."
Plus d'informations : Jeong Hun Park et al, Impression 3D d'implants auxétiques en poly-ε-caprolactone (PCL) avec des performances avancées pour l'ingénierie des tissus mous à grand volume, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202215220
Informations sur le journal : Matériaux fonctionnels avancés
Fourni par l'Institut de technologie de Géorgie
