L'avenir de la médecine est biologique - et les scientifiques espèrent que nous utiliserons bientôt des tissus biologiquement fonctionnels imprimés en 3D pour remplacer les tissus irrémédiablement endommagés dans le corps. Une équipe de chercheurs de l'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB travaille depuis plusieurs années avec l'Université de Stuttgart sur un projet de développement et d'optimisation de bio-encres adaptées à la fabrication additive. En faisant varier la composition du biomatériau, les chercheurs ont déjà réussi à élargir leur portefeuille pour inclure des encres pour os et vascularisation. Cela a jeté les bases de la fabrication de structures tissulaires osseuses comportant des réseaux capillaires.

L'impression 3D ne gagne pas seulement du terrain dans la fabrication, elle prend également une importance croissante dans le domaine de la médecine régénérative. Les scientifiques espèrent maintenant utiliser cette méthode de fabrication additive pour créer des échafaudages tissulaires biocompatibles sur mesure qui remplaceront les tissus irrémédiablement endommagés. Une équipe de chercheurs du Fraunhofer IGB à Stuttgart travaille également sur des encres biosourcées pour la fabrication d'implants biologiques en laboratoire à l'aide de techniques d'impression 3D. Pour créer un objet 3D dans la forme préprogrammée souhaitée, l'équipe utilise une approche couche par couche pour imprimer un mélange liquide comprenant des biopolymères tels que la gélatine ou l'acide hyaluronique, milieu aqueux et cellules vivantes. Ces bio-encres restent dans un état visqueux pendant l'impression et sont ensuite exposées à la lumière UV pour les réticuler en réseaux polymères contenant de l'eau appelés hydrogels.

Modification chimique ciblée de biomolécules

Les scientifiques peuvent modifier chimiquement les biomolécules pour fournir aux gels résultants différents degrés de réticulation et de gonflement. Cela permet d'imiter la consistance des tissus naturels - des hydrogels plus forts pour le cartilage aux gels plus mous pour les tissus adipeux. De larges ajustements peuvent également être apportés au niveau de viscosité :« À température ambiante de 21 degrés Celsius, la gélatine est ferme comme de la gelée, ce qui n'est pas bon pour l'impression. Pour éviter la gélification en fonction de la température et nous permettre de la traiter quelle que soit la température, nous « masquons » les chaînes latérales des biomolécules responsables de la gélification de la gélatine, " dit le Dr Achim Weber, chef du groupe Systèmes et formulations à base de particules, expliquant l'un des principaux défis rencontrés dans le processus.

Un autre défi est que la gélatine doit être réticulée chimiquement pour l'empêcher de se liquéfier à des températures d'environ 37 degrés. Pour y parvenir, il est fonctionnalisé deux fois :dans ce cas, l'équipe de recherche a opté pour l'intégration de groupes méthacryle réticulables dans les biomolécules substituant ainsi diverses parties des non réticulants, masquage des groupes acétyle – une approche unique dans le domaine de la bio-impression. "Nous formulons des encres qui offrent des conditions ajustées pour différents types de cellules et structures tissulaires, " dit le Dr Kirsten Borchers, qui est responsable des projets de bio-impression à Stuttgart.

En collaboration avec l'Université de Stuttgart, l'équipe a récemment réussi à créer deux environnements hydrogels différents :des gels plus rigides avec des composants minéraux pour répondre aux besoins des cellules osseuses, et des gels plus mous sans composants minéraux pour permettre aux cellules des vaisseaux sanguins de se former en structures de type capillaire.

Encres pour os et vascularisation

Les chercheurs ont déjà réussi à produire de l'encre osseuse sur la base du kit de matériaux qu'ils ont créé. Leur objectif est de permettre aux cellules traitées dans le kit de régénérer le tissu d'origine, en d'autres termes pour former eux-mêmes le tissu osseux. Le secret de la création de l'encre réside dans un mélange spécial d'hydroxylapatite en poudre minérale osseuse et de biomolécules. "Le meilleur environnement artificiel pour les cellules est celui qui se rapproche le plus des conditions naturelles du corps. C'est pourquoi le rôle de la matrice tissulaire dans nos tissus imprimés est joué par les biomatériaux que nous générons à partir d'éléments de la matrice tissulaire naturelle, ", dit le scientifique.

L'encre de vascularisation forme des gels mous qui favorisent la mise en place des structures capillaires. Les cellules qui forment les vaisseaux sanguins sont incorporées dans les encres. Les cellules bougent, migrent les uns vers les autres et forment des systèmes de réseaux capillaires constitués de petites structures tubulaires. Si ce substitut osseux devait être implanté, l'implant biologique se connecterait au système vasculaire du receveur beaucoup plus rapidement qu'un implant sans pré-structures de type capillaire, comme détaillé dans la littérature pertinente. "Il serait probablement impossible d'imprimer en 3D avec succès des structures tissulaires plus grandes sans encre de vascularisation, " dit Weber.

Le dernier projet de recherche de l'équipe de Stuttgart consiste à développer des matrices pour régénérer le cartilage. "Quel que soit le type de cellule que nous isolons des tissus corporels et multiplions en laboratoire, nous devons créer un environnement approprié dans lequel ils peuvent remplir leurs fonctions spécifiques sur des périodes plus longues, " explique le bio-ingénieur de l'équipe, Lisa Rebers.

Fraunhofer IGB poursuit ses travaux de recherche dans le Centre de haute performance de personnalisation de masse à Stuttgart dans le cadre d'une initiative conjointe avec l'Institut Fraunhofer d'ingénierie de fabrication et d'automatisation IPA et l'Université de Stuttgart. Le groupe de travail interdisciplinaire Additive4Life est responsable de la création de nouvelles technologies et de biomatériaux imprimables pour la bioimpression.