Programmation orthogonale de la rigidité et de la géométrie de la matrice via la stéréolithographie assistée par inhibition de l'oxygène. a Installation schématique d'un système d'impression 3D stéréolithographique à projection numérique où la solution de précurseur d'hydrogel est durcie couche par couche par exposition aux UV. L'encart est une image SEM d'un objet complexe imprimé en 3D. La barre d'échelle est de 500 μm. b Schéma d'impression assistée par inhibition de l'oxygène, dans lequel la zone de durcissement est physiquement limitée entre la région durcie et la couche d'inhibition d'oxygène. c Profil de profondeur du taux de conversion des doubles liaisons sous différentes doses d'exposition aux UV. L'épaisseur de la couche d'inhibition de l'oxygène est faiblement dépendante des doses d'exposition, de même que l'épaisseur de durcissement. Le taux de conversion des doubles liaisons augmente rapidement avec le dosage lorsque le dosage est supérieur au seuil. d Image optique à fond clair d'un logo de buffle imprimé avec une rigidité et une géométrie à motifs indépendants (rigidité binaire mais surface plane). Un contraste optique élevé indique les fortes différences de densité de réticulation et, donc, la raideur. La barre d'échelle est de 200 μm. e La quantification de la variation du contraste optique (ligne noire) et de la géométrie (ligne bleue) le long de la ligne pointillée en b révèle de nettes différences de contraste (rigidité) mais peu de variation de la hauteur des caractéristiques ( < 1%). Crédit: Communication Nature (2018). DOI :10.1038/s41467-018-06685-1
Les ingénieurs de l'Université du Colorado à Boulder ont développé une technique d'impression 3D qui permet un contrôle localisé de la fermeté d'un objet, ouvrant de nouvelles voies biomédicales qui pourraient un jour inclure les artères artificielles et les tissus organiques.
L'étude, qui vient d'être publié dans la revue Communication Nature , décrit une méthode d'impression couche par couche qui présente un grain fin, contrôle programmable de la rigidité, permettant aux chercheurs d'imiter la géométrie complexe des vaisseaux sanguins qui sont très structurés et pourtant doivent rester souples.
Les résultats pourraient un jour conduire à mieux, des traitements plus personnalisés pour les personnes souffrant d'hypertension et d'autres maladies vasculaires.
"L'idée était d'ajouter des propriétés mécaniques indépendantes aux structures 3D qui peuvent imiter les tissus naturels du corps, " dit Xiaobo Yin, professeur agrégé au département de génie mécanique de CU Boulder et auteur principal de l'étude. "Cette technologie nous permet de créer des microstructures qui peuvent être personnalisées pour les modèles de maladies."
Les vaisseaux sanguins durcis sont associés aux maladies cardiovasculaires, mais la conception d'une solution pour le remplacement viable des artères et des tissus s'est historiquement avérée difficile.
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs ont trouvé un moyen unique de tirer parti du rôle de l'oxygène dans la définition de la forme finale d'une structure imprimée en 3D.
"L'oxygène est généralement une mauvaise chose en ce sens qu'il provoque un durcissement incomplet, " a déclaré Yonghui Ding, chercheur postdoctoral en génie mécanique et auteur principal de l'étude. "Ici, nous utilisons une couche qui permet un taux fixe de perméation d'oxygène."
En gardant un contrôle strict sur la migration de l'oxygène et son exposition ultérieure à la lumière, Ding a dit, les chercheurs ont la liberté de contrôler quelles zones d'un objet sont solidifiées pour être plus dures ou plus douces, tout en gardant la même géométrie globale.
"Il s'agit d'un développement profond et d'un premier pas encourageant vers notre objectif de créer des structures qui fonctionnent comme une cellule saine devrait fonctionner, " dit Ding.
A titre de démonstration, les chercheurs ont imprimé trois versions d'une structure simple :une poutre supérieure supportée par deux tiges. Les structures étaient de forme identique, taille et matériaux, mais avait été imprimé avec trois variations de rigidité de la tige :doux/doux, dur/doux et dur/dur. Les tiges plus dures soutenaient la poutre supérieure tandis que les tiges plus molles lui permettaient de s'effondrer totalement ou partiellement.
Les chercheurs ont répété l'exploit avec une petite figure de guerrier chinois, l'imprimer de sorte que les couches extérieures restent dures tandis que l'intérieur reste doux, laissant le guerrier avec un extérieur dur et un cœur tendre, pour ainsi dire.
L'imprimante de table est actuellement capable de travailler avec des biomatériaux jusqu'à une taille de 10 microns, ou environ un dixième de la largeur d'un cheveu humain. Les chercheurs sont optimistes quant au fait que les futures études contribueront à améliorer encore les capacités.
"Le défi est de créer une échelle encore plus fine pour les réactions chimiques, ", a déclaré Yin. "Mais nous voyons d'énormes opportunités à venir pour cette technologie et le potentiel de fabrication de tissus artificiels."
