Le professeur de nano-ingénierie Shaochen Chen imprime en 3D un réseau de vaisseaux sanguins biomimétique. Crédit :Erik Jepsen/UC San Diego Publications
Des nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont imprimé en 3D un un réseau de vaisseaux sanguins fonctionnels qui pourrait ouvrir la voie à des organes artificiels et à des thérapies régénératives.
La nouvelle recherche, dirigé par le professeur de nano-ingénierie Shaochen Chen, aborde l'un des plus grands défis de l'ingénierie tissulaire :créer des tissus et des organes réalistes avec un système vasculaire fonctionnel - des réseaux de vaisseaux sanguins pouvant transporter le sang, nutriments, déchets et autres matières biologiques - et le faire en toute sécurité lorsqu'ils sont implantés à l'intérieur du corps.
Des chercheurs d'autres laboratoires ont utilisé différentes technologies d'impression 3D pour créer des vaisseaux sanguins artificiels. Mais les technologies existantes sont lentes, coûteuses et produisent principalement des structures simples, comme un seul vaisseau sanguin - un tube, essentiellement. Ces vaisseaux sanguins ne sont pas non plus capables de s'intégrer au propre système vasculaire du corps.
« Presque tous les tissus et organes ont besoin de vaisseaux sanguins pour survivre et fonctionner correctement. qui sont en forte demande mais en nombre insuffisant, " dit Chen, qui dirige les Nanobiomatériaux, Bioimpression, et le laboratoire d'ingénierie tissulaire de l'UC San Diego. "Les organes de bio-impression 3D peuvent aider à combler ce fossé, et notre laboratoire a fait un grand pas vers cet objectif."
Le laboratoire de Chen a imprimé en 3D un réseau vasculaire qui peut s'intégrer en toute sécurité au propre réseau du corps pour faire circuler le sang. Ces vaisseaux sanguins se ramifient en plusieurs séries de vaisseaux plus petits, semblable aux structures des vaisseaux sanguins trouvées dans le corps. L'ouvrage a été publié en Biomatériaux .
Un modèle numérique d'un réseau de vaisseaux sanguins. Crédit :Erik Jepsen/UC San Diego Publications
L'équipe de Chen a développé une technologie de bio-impression innovante, en utilisant leurs propres imprimantes 3D maison, pour produire rapidement des microstructures 3D complexes qui imitent les conceptions et les fonctions sophistiquées des tissus biologiques. Le laboratoire de Chen a utilisé cette technologie dans le passé pour créer des tissus hépatiques et des poissons microscopiques capables de nager dans le corps pour détecter et éliminer les toxines.
Les chercheurs créent d'abord un modèle 3D de la structure biologique sur un ordinateur. L'ordinateur transfère ensuite des instantanés 2D du modèle à des millions de miroirs de taille microscopique, qui sont chacun contrôlés numériquement pour projeter des motifs de lumière UV sous la forme de ces instantanés. Les motifs UV sont projetés sur une solution contenant des cellules vivantes et des polymères photosensibles qui se solidifient lors de l'exposition à la lumière UV. La structure est rapidement imprimée une couche à la fois, de façon continue, créer un échafaudage polymère solide 3D encapsulant des cellules vivantes qui se développeront et deviendront des tissus biologiques.
« Nous pouvons imprimer directement des structures microvasculaires détaillées à une résolution extrêmement élevée. D'autres technologies d'impression 3D produisent l'équivalent de structures « pixelisées » en comparaison et nécessitent généralement des matériaux sacrificiels et des étapes supplémentaires pour créer les vaisseaux, " dit Wei Zhu, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Chen et un chercheur principal sur le projet.
Et tout ce processus ne prend que quelques secondes - une amélioration considérable par rapport aux méthodes de bio-impression concurrentes, qui prennent normalement des heures juste pour imprimer des structures simples. Le procédé utilise également des matériaux peu coûteux et biocompatibles.
L'équipe de Chen a utilisé l'imagerie médicale pour créer un schéma numérique d'un réseau de vaisseaux sanguins trouvé dans le corps. Grâce à leur technologie, ils ont imprimé une structure contenant des cellules endothéliales, qui sont des cellules qui forment la paroi interne des vaisseaux sanguins.
Une structure microscopique de vaisseaux sanguins imprimée en 3D. Crédit :Erik Jepsen/UC San Diego Publications
L'ensemble de la structure s'adapte sur une petite surface mesurant 4 millimètres × 5 millimètres, 600 micromètres d'épaisseur (aussi épais qu'une pile contenant 12 mèches de cheveux humains).
Les chercheurs ont cultivé plusieurs structures in vitro pendant une journée, puis greffé les tissus résultants dans des plaies cutanées de souris. Après deux semaines, les chercheurs ont examiné les implants et ont découvert qu'ils avaient réussi à se développer et à fusionner avec le réseau de vaisseaux sanguins de l'hôte, permettant au sang de circuler normalement.
Chen a noté que les vaisseaux sanguins implantés ne sont pas encore capables d'autres fonctions, comme le transport des nutriments et des déchets. « Nous avons encore beaucoup de travail à faire pour améliorer ces matériaux. C'est une étape prometteuse vers l'avenir de la régénération et de la réparation des tissus, " il a dit.
Avancer, Chen et son équipe travaillent sur la construction de tissus spécifiques au patient à l'aide de cellules souches pluripotentes induites par l'homme, ce qui empêcherait les greffes d'être attaquées par le système immunitaire d'un patient. Et puisque ces cellules sont dérivées des cellules de la peau d'un patient, les chercheurs n'auront pas besoin d'extraire des cellules de l'intérieur du corps pour construire de nouveaux tissus. L'objectif ultime de l'équipe est de déplacer leurs travaux vers des essais cliniques. "Il faudra au moins plusieurs années avant d'atteindre cet objectif, " dit Chen.
