Une nouvelle façon de fabriquer des échafaudages pour les cultures biologiques pourrait permettre de cultiver des cellules de forme et de taille très uniformes, et potentiellement avec certaines fonctions. La nouvelle approche utilise une forme d'impression 3D à échelle extrêmement fine, en utilisant un champ électrique pour dessiner des fibres d'un dixième de la largeur d'un cheveu humain.

Le système a été développé par Filippos Tourlomousis, un post-doctorat au Center for Bits and Atoms du MIT, et six autres au MIT et au Stevens Institute of Technology dans le New Jersey. Le travail est rapporté aujourd'hui dans le journal Microsystèmes et nano-ingénierie .

De nombreuses fonctions d'une cellule peuvent être influencées par son microenvironnement, ainsi un échafaudage qui permet un contrôle précis de cet environnement peut ouvrir de nouvelles possibilités pour cultiver des cellules avec des caractéristiques particulières, à des fins de recherche ou éventuellement à usage médical.

Alors que l'impression 3D ordinaire produit des filaments aussi fins que 150 microns (millionièmes de mètre), Tourlomousis dit, il est possible d'obtenir des fibres jusqu'à des largeurs de 10 microns en ajoutant un fort champ électrique entre la buse extrudant la fibre et la platine sur laquelle la structure est imprimée. La technique est appelée électro-écriture en fusion.

« Si vous prenez des cellules et que vous les placez sur une surface imprimée en 3D conventionnelle, c'est comme une surface 2D pour eux, " il explique, parce que les cellules elles-mêmes sont tellement plus petites. Mais dans une structure maillée imprimée en utilisant la méthode d'électro-écriture, la structure est à la même échelle de taille que les cellules elles-mêmes, et ainsi leurs tailles et formes et la façon dont elles forment des adhérences au matériau peuvent être contrôlées en ajustant la microarchitecture poreuse de la structure en treillis imprimé.

"En étant capable d'imprimer à cette échelle, vous produisez un véritable environnement 3D pour les cellules, " dit Tourlomousis.

Lui et l'équipe ont ensuite utilisé la microscopie confocale pour observer les cellules cultivées dans diverses configurations de fibres fines, certains aléatoires, certains précisément disposés en mailles de différentes dimensions. Le grand nombre d'images résultantes a ensuite été analysé et classé à l'aide de méthodes d'intelligence artificielle, corréler les types cellulaires et leur variabilité avec les types de microenvironnement, avec différents espacements et arrangements de fibres, dans laquelle ils ont été cultivés.

Les cellules forment des protéines appelées adhérences focales aux endroits où elles se fixent à la structure. "Les adhérences focales sont la façon dont la cellule communique avec l'environnement extérieur, ", dit Tourlomousis. "Ces protéines ont des caractéristiques mesurables à travers le corps cellulaire, ce qui nous permet de faire de la métrologie. Nous quantifions ces caractéristiques et les utilisons pour modéliser et classer assez précisément des formes de cellules individuelles. »

Pour une structure maillée donnée, il dit, « nous montrons que les cellules acquièrent des formes qui sont directement couplées à l'architecture du substrat et aux substrats électro-écrits fondus, " favorisant une grande homogénéité par rapport au non tissé, substrats structurés de façon aléatoire. De telles populations cellulaires uniformes pourraient potentiellement être utiles dans la recherche biomédicale, il dit :« Il est bien connu que la forme cellulaire régit la fonction cellulaire et ce travail suggère une voie axée sur la forme pour l'ingénierie et la quantification des réponses cellulaires avec une grande précision, " et avec une grande reproductibilité.

Il dit que dans des travaux récents, lui et son équipe ont montré que certains types de cellules souches cultivées dans de tels maillages imprimés en 3D ont survécu sans perdre leurs propriétés beaucoup plus longtemps que celles cultivées sur un substrat bidimensionnel conventionnel. Ainsi, il peut y avoir des applications médicales pour de telles structures, peut-être comme moyen de cultiver de grandes quantités de cellules humaines avec des propriétés uniformes qui pourraient être utilisées pour la transplantation ou pour fournir le matériau pour la construction d'organes artificiels, il dit. Le matériau utilisé pour l'impression est un polymère fondu qui a déjà été approuvé par la FDA.

La nécessité d'un contrôle plus strict de la fonction cellulaire est un obstacle majeur à l'acheminement des produits d'ingénierie tissulaire jusqu'à la clinique. Toutes les étapes pour resserrer les spécifications sur l'échafaudage, et ainsi resserrer également la variance du phénotype cellulaire, sont indispensables à cette industrie, dit Tourlomousis.

Le système d'impression peut également avoir d'autres applications, dit Tourlomousis. Par exemple, il pourrait être possible d'imprimer des « métamatériaux », des matériaux synthétiques avec des structures en couches ou à motifs qui peuvent produire des propriétés optiques ou électroniques exotiques.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.