La bioimpression comprend trois étapes principales :1. La pré-bioimpression, qui comprend la conception de la structure, préparation bioink, et évaluation de l'imprimabilité. Les lois de la physique peuvent aider les scientifiques à préparer des bio-encres avec des paramètres réglables pour le meilleur résultat de fabrication; 2. Le processus de bio-impression, qui implique la livraison de produits optimisés, des bioencres telles que préparées dans la forme souhaitée à l'aide d'un système contrôlé par ordinateur ; 3. Post-bio-impression, l'étape la plus critique, qui intègre la quatrième dimension de la bio-impression, temps. Cette étape implique plusieurs processus d'auto-assemblage cellulaire régis par des lois physiques. La physique de l'auto-assemblage cellulaire a été étudiée par des chercheurs pour obtenir des tissus/organes bio-imprimés fonctionnels et viables. Crédit :Ashkan Shafiee
Les imprimantes 3D peuvent être utilisées pour créer une variété d'objets utiles en créant une forme, couche par couche. Les scientifiques ont utilisé cette même technique pour « bioimprimer » des tissus vivants, y compris les muscles et les os.
La bioimpression est une technologie relativement nouvelle qui a progressé principalement par essais et erreurs. Les scientifiques utilisent désormais les lois de la physique et la modélisation informatique prédictive pour améliorer ces techniques et optimiser le processus de bio-impression. Ces nouvelles avancées sont passées en revue dans le numéro du 4 juin de Examens de physique appliquée .
Les bio-imprimantes les plus utilisées sont l'extrusion, imprimantes à jet d'encre et laser. Chaque type implique une physique légèrement différente, et chacun a ses avantages et ses inconvénients.
Dit le co-auteur Ashkan Shafiee, "La seule façon de réaliser une transition significative de la phase" d'essais et d'erreurs "à la phase" de prévision et de contrôle "de la bio-impression est de comprendre et d'appliquer la physique sous-jacente."
Une imprimante d'extrusion charge une matière, connu sous le nom de bioink, dans une seringue et l'imprime en forçant l'encre à sortir avec un piston ou une pression d'air. La bioencre peut être une collection de cellules vivantes pures ou une suspension de cellules dans un hydrogel ou un polymère. Les bioimprimantes à jet d'encre fonctionnent de manière similaire, mais utilisent soit un cristal piézoélectrique, soit un élément chauffant pour créer des gouttelettes à partir d'une petite ouverture. Les imprimantes laser focalisent un faisceau laser sur un ruban, où une fine couche de bioink est étalée, et se traduit par une viabilité cellulaire élevée.
Les produits biologiques créés par bio-impression ne sont généralement pas immédiatement utilisables. Alors que l'imprimante peut créer une configuration initiale de cellules, ces cellules vont se multiplier et se réassembler dans une nouvelle configuration. Le processus est similaire à ce qui se passe lorsqu'un embryon se développe, et les cellules fusionnent avec d'autres cellules et se répartissent dans de nouvelles régions.
Des techniques de modélisation informatique ont été développées au milieu des années 2010 pour optimiser l'étape d'auto-assemblage post-impression de la bio-impression, où de petits fragments de tissu sont livrés dans un matériau de support avec la forme de structure biologique souhaitée, comme un organe, avec bioink. Les petits fragments se développent ensuite davantage et s'auto-assemblent dans la structure biologique finale.
Le modèle implique des équations qui décrivent les forces d'attraction et de répulsion entre les cellules. Les auteurs ont montré que les simulations utilisant cette méthode, connue sous le nom de dynamique des particules cellulaires, ou CPD - prédire correctement le modèle dans lequel une collection de cellules s'assemblera après l'étape d'impression initiale.
