Chaque jour aux États-Unis, 17 personnes meurent en attendant une greffe d'organe, et toutes les neuf minutes, une autre personne est ajoutée à la liste d'attente de greffe, selon la Health Resources and Services Administration. Une solution potentielle pour pallier la pénurie consiste à développer des biomatériaux pouvant être imprimés en trois dimensions (3D) sous forme de formes d'organes complexes, capables d'héberger des cellules et de former des tissus. Jusqu'à présent, les tentatives ont échoué, les soi-disant bioencres d'hydrogel en vrac ne s'intégrant pas correctement dans le corps et ne soutenant pas les cellules dans les constructions de tissus épais.

Aujourd'hui, les chercheurs de Penn State ont développé une nouvelle bioencre d'hydrogel granulaire nanotechnologique qui utilise des nanoparticules auto-assemblées et des microparticules d'hydrogel, ou microgels, pour atteindre des niveaux de porosité, de fidélité de forme et d'intégration cellulaire jusqu'alors inégalés.

L'équipe a publié son approche dans la revue Small . Leurs travaux seront présentés sur la couverture de la revue.

"Nous avons développé une nouvelle bioencre d'hydrogel granulaire pour la bioimpression par extrusion 3D d'échafaudages microporeux d'ingénierie tissulaire", a déclaré l'auteur correspondant Amir Sheikhi, professeur adjoint de génie chimique de Penn State qui a un rendez-vous de courtoisie en génie biomédical. "Nous avons surmonté les limitations précédentes des hydrogels granulaires de bioimpression 3D en liant de manière réversible les microgels à l'aide de nanoparticules qui s'auto-assemblent. Cela permet la fabrication d'hydrogel granulaire bioink avec une microporosité bien conservée, une meilleure imprimabilité et une fidélité de forme."

À ce jour, la majorité des bioencres sont basées sur des hydrogels en vrac - des réseaux de polymères qui peuvent contenir une grande quantité d'eau tout en conservant leur structure - avec des pores à l'échelle nanométrique qui limitent les interactions cellule-cellule et cellule-matrice ainsi que le transfert d'oxygène et de nutriments. Ils nécessitent également une dégradation et/ou un remodelage pour permettre l'infiltration et la migration des cellules, retardant ou inhibant l'intégration bioencre-tissu.

"La principale limitation de la bioimpression 3D utilisant des bioencres hydrogel en vrac conventionnelles est le compromis entre la fidélité de la forme et la viabilité cellulaire, qui est régulée par la rigidité et la porosité de l'hydrogel", a déclaré Sheikhi. "L'augmentation de la rigidité de l'hydrogel améliore la fidélité de la forme de la construction, mais réduit également la porosité, compromettant la viabilité cellulaire."

Pour surmonter ce problème, les scientifiques du domaine ont commencé à utiliser des microgels pour assembler des échafaudages d'ingénierie tissulaire. Contrairement aux hydrogels en vrac, ces échafaudages d'hydrogel granulaires ont pu former des constructions 3D in situ, réguler la porosité des structures créées et découpler la rigidité des hydrogels de la porosité.

La viabilité et la migration des cellules restaient cependant un problème, a déclaré Sheikhi. Pour atteindre les caractéristiques positives au cours du processus d'impression 3D, les hydrogels granulaires doivent être étroitement emballés, compromettant l'espace entre les microgels et ayant un impact négatif sur la porosité, qui à son tour a un impact négatif sur la viabilité et la motilité des cellules.

L'approche des chercheurs de Penn State aborde le problème du "blocage" tout en conservant les caractéristiques positives des hydrogels granulaires en augmentant l'adhérence des microgels les uns aux autres. Les microgels s'accrochent les uns aux autres, éliminant le besoin d'un emballage serré en raison de l'auto-assemblage interfacial de nanoparticules adsorbées sur les microgels et préservant les pores à l'échelle microscopique.

"Notre travail est basé sur la prémisse que les nanoparticules peuvent s'adsorber sur des surfaces de microgels polymères et adhérer de manière réversible les microgels les uns aux autres, sans remplir les pores entre les microgels", a déclaré Sheikhi. "Le mécanisme d'adhésion réversible est basé sur des nanoparticules chargées de manière hétérogène qui peuvent conférer une liaison dynamique à des microgels faiblement emballés. De telles liaisons dynamiques peuvent se former ou se rompre lors de la libération ou de l'exercice d'une force de cisaillement, permettant la bio-impression 3D des suspensions de microgels sans les emballer de manière dense."

Les chercheurs disent que cette technologie peut être étendue à d'autres plateformes granulaires composées de microgels polymères synthétiques, naturels ou hybrides, qui peuvent être assemblés les uns aux autres à l'aide de nanoparticules similaires ou d'autres méthodes physiques et/ou chimiques, telles que la liaison réversible induite par la charge. , interactions hôte-invité ou liaisons covalentes dynamiques.

Selon Sheikhi, les chercheurs prévoient d'explorer comment la bioencre granulaire nanotechnologique pourrait être appliquée davantage à l'ingénierie et à la régénération tissulaires, aux modèles d'organes/tissus/maladies sur puce et à la bioimpression 3D in situ d'organes.

"En abordant l'un des défis persistants de la bioimpression 3D d'hydrogels granulaires, notre travail pourrait ouvrir de nouvelles voies dans l'ingénierie tissulaire et l'impression d'organes fonctionnels", a déclaré Sheikhi. + Explorer plus loin

Les scientifiques bioimpriment des constructions ressemblant à des tissus capables de changer de forme complexe et contrôlée