Un laser durcit le matériau liquide exactement au point focal.
Grâce à la technologie laser, Aleksandr Ovsianikov de l'Université de technologie de Vienne veut créer des microstructures avec des cellules vivantes intégrées.
Le comportement des cellules dépend fortement de leur environnement. S'ils doivent être recherchés et manipulés, il est crucial de les intégrer dans un environnement adapté. Aleksandr Ovsianikov développe un système laser, qui permet aux cellules vivantes d'être incorporées dans des structures complexes sur mesure, semblable au tissu biologique, dans lequel les cellules sont entourées par la matrice extracellulaire. Cette technologie est particulièrement importante pour les biotissus en croissance artificielle, pour trouver de nouveaux médicaments ou pour la recherche sur les cellules souches. Ovsianikov a maintenant reçu l'ERC Starting Grant du Conseil européen de la recherche (ERC) d'environ 1,5 million d'euros.
Des structures de haute technologie pour la recherche biomédicale
« Faire pousser des cellules sur une surface plane est facile, mais de telles cultures cellulaires se comportent souvent différemment des cellules d'un véritable tissu tridimensionnel", dit Alexandre Ovsianikov. Alors qu'en deux dimensions, des boîtes de Pétri conventionnelles sont utilisées, aucun système standard n'est encore disponible pour les cultures cellulaires tridimensionnelles. Une telle matrice 3D doit être poreuse, afin que les cellules puissent recevoir tous les nutriments nécessaires. Par ailleurs, il est important que la géométrie, les paramètres chimiques et mécaniques de cette matrice peuvent être ajustés avec précision afin d'étudier et d'induire les réponses cellulaires nécessaires. Aussi, il est important que la structure puisse être produite rapidement et en grande quantité, car les expériences biologiques doivent généralement être menées sur de nombreuses cultures cellulaires en même temps pour fournir des données fiables.
Une grille tridimensionnelle peut être réalisée, qui maintient la cellule en place.
Ces exigences sont très bien remplies par le groupe de recherche « Technologies de fabrication additive » de l'Université de technologie de Vienne. L'équipe interdisciplinaire de chercheurs a développé des technologies spéciales pour créer des structures tridimensionnelles avec une précision à l'échelle submicrométrique. « Nous voulons développer une méthode universelle, qui peut servir de standard pour les cultures cellulaires tridimensionnelles et qui peut être adapté pour différents types de tissus et différents types de cellules", dit Alexandre Ovsianikov.
Le laser transforme le liquide en échafaudage sur mesure
En premier, les cellules sont suspendues dans un liquide, qui se compose principalement d'eau. Des molécules favorables aux cellules sont ajoutées, qui réagissent avec la lumière d'une manière très spéciale :un faisceau laser focalisé brise les doubles liaisons exactement aux bons endroits. Une réaction chimique en chaîne provoque ensuite la liaison des molécules et la création d'un polymère.
Cette réaction n'est déclenchée que lorsque deux photons laser sont absorbés en même temps. Ce n'est qu'à l'intérieur du foyer du faisceau laser que la densité de photons est suffisamment élevée pour cela. Le matériau en dehors du point focal n'est pas affecté par le laser. "C'est ainsi que nous pouvons définir avec une précision sans précédent, à quels points les molécules sont censées se lier et créer un échafaudage solide", explique Ovsianikov.
Guider le foyer du faisceau laser à travers le liquide, une structure solide est créée, dans lequel des cellules vivantes sont incorporées. Les molécules excédentaires qui ne sont pas polymérisées sont simplement éliminées par la suite. Par ici, une structure d'hydrogel peut être construite, semblable à la matrice extracellulaire qui entoure nos propres cellules dans les tissus vivants. Les idées de la nature sont imitées en laboratoire et utilisées pour des applications technologiques. Cette approche, appelé « bio-mimétique » joue un rôle de plus en plus important, surtout en science des matériaux. Aleksandr Ovsianikov est convaincu que dans de nombreux cas, cette technologie rendra les tests sur les animaux inutiles et donnera des résultats beaucoup plus rapides et plus significatifs.
Transformer les cellules souches en tissu
La recherche sur les cellules souches est un domaine d'application particulièrement intéressant pour la nouvelle technologie. « On sait que les cellules souches peuvent se transformer en différents types de tissus, en fonction de leur environnement", dit Alexandre Ovsianikov. "Sur une surface dure, ils ont tendance à se développer en cellules osseuses, sur un substrat mou, ils peuvent se transformer en neurones. » Dans la structure 3D générée par laser, la rigidité du substrat peut être ajustée de sorte que différents types de tissus puissent être créés.
