Quand des bioingénieurs américains donnent un nouveau souffle à la bio-impression 3D

modèle de poumon imprimé en 3D

La bio-impression est une fois de plus mise à l’honneur dans le prestigieux magazine Science. La très respectée revue scientifique s’est intéressée aux travaux de bioingénieurs américains qui ont réussi à mettre au point une nouvelle technique de bio-impression capable de recréer la complexité des réseaux vasculaires.

L’innovation présentée en couverture du dernier numéro du magazine, se présente sous la forme d’un modèle de poumon en hydrogel capable de transmettre de l’oxygène de l’air aux vaisseaux sanguins environnants. Les travaux menés par une équipe de Jordan Miller de l’Université Rice et Kelly Stevens de l’Université de Washington, ont permis de créer des réseaux vasculaires enchevêtrés imitant les passages naturels de l’organisme pour le sang, l’air, la lymphe et les autres fluides vitaux.

Qu’il s’agisse de cœur, de rein ou de foie, la création d’organes fonctionnels, mais surtout transplantables est un objectif auquel aspirent de nombreux chercheurs à travers le monde. Si le chemin est encore long, la bio-impression porte en elle de nombreux espoirs en terme de médecine individualisée. La fabrication d’organes sur-mesure adaptés à la morphologie de chaque patient pourrait en effet révolutionner le secteur chirurgical.

design réalisé par Nervous System

Derrière cette conception complexe à bien des égards, se cache le célèbre studio d’impression 3D générative Nervous System. Plus connus pour ses créations dans le domaine de la mode – on se souvient de ses magnifiques robes imprimées en 3D – ce bureau d’études américain originaire du MIT a développé des algorithmes qui permettent des créer des formes organiques d’une grande complexité.

« Nous avons fondé Nervous System en 2007 dans le but d’adapter des algorithmes et des stratégies de la nature à de nouvelles méthodes de conception de produits. mais nous n’avions jamais imaginé avoir l’occasion d’appliquer cela à la conception d’objets vivants. » Explique le studio américain.

Jordan Miller serait entré en contact avec Nervous Systems en 2016, après avoir découvert sa collection « Growing Objects« , une série de zootropes réalisés par impression 3D. Le scientifique aurait été totalement captivité par les formes organiques des sculptures. « Nous pourrions peut-être travailler ensemble pour créer des logiciels à code source libre que le monde pourrait utiliser pour concevoir des tissus vivants synthétiques et des organes de remplacement pour des patients humains », aurait-il alors proposé à Nervous Systems.

Bagrat Grigoryan, Jordan Miller et Daniel Sazer

Ingénieurs de la Rice University Bagrat Grigoryan, Jordan Miller et Daniel Sazer

La vascularisation constitue l’une des clefs à la création d’organes fonctionnels, mais surtout viables sur le long terme. Les organes comme le foie par exemple, sont composés de plus de 100 milliards de cellules qui ont besoin de réseaux vasculaires complexes pour lui fournir des nutriments et de l’oxygène tout en éliminant les déchets. Pour rendre les choses encore plus compliquées, de nombreux organes contiennent de multiples réseaux de fluides interpénétrés; dans les poumons, nous avons des voies aériennes ramifiées de manière hiérarchique et des réseaux de vaisseaux sanguins encaissés.

Dès lors l’objectif de Nervous Systems était de créer un logiciel permettant aux scientifiques de concevoir des structures multi-vasculaires personnalisées pour des organes imprimés en 3D. Nervous System a collaboré avec le laboratoire Miller pour concevoir et générer ces réseaux multivasculaires complexes et les matérialiser pour la première fois dans des hydrogels souples.

Inspiré par les capillaires cellulaires qui entourent les alvéoles, le réseau de vaisseaux sanguins a été conçu en utilisant un diagramme de Voronoï anisotrope. Si trois jours ont été nécessaire pour créer une architecture imitant les poumons, il a fallu environ un an pour pouvoir la fabriquer. Pour développer son logiciel, Nervous Systems se serait appuyé sur deux programmes antérieurs, Hyphae 3D et Corollaria.

SLATE : un procédé d’impression 3D par stéréolithographie

revue scientifique Science

Pour matérialiser cette formidable complexité, Jordan Miller et ses équipes ont développé un procédé par photopolymérisation dénommé SLATE (pour Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering / appareil de stéréolithographie pour la fabrication de tissus). Une méthode similaire avait déjà été employée par des chercheurs de l’Université de Californie pour imprimer des vaisseaux sanguins grâce à un système d’impression 3D par rayonnement UV.

Comme n’importe quelle imprimante de type SLA, la machine superpose des couches de matériau liquide (en l’occurrence une solution de pré-hydrogel), dont la solidification est assurée par une lumière bleue émise par un projecteur. Ce dernier éclaire la lumière par le dessous, affichant des tranches 2D séquentielles de la structure à haute résolution, avec des tailles de pixels allant de 10 à 50 microns. A chaque couche solidifiée, un bras soulève le gel 3D juste assez pour exposer la prochaine.

La particularité du système réside en fait dans l’ajout de colorants alimentaires qui absorbent la lumière bleue. Ces photoabsorbeurs limitent la solidification à une très fine couche. De cette manière, le système peut produire des gels biocompatibles doux, à base d’eau, avec une architecture interne complexe en quelques minutes.

 » Nous ne sommes qu’au début de notre exploration des architectures trouvées dans le corps humain »

Jordan Miller

Des tests effectués sur un « sac à air » imitant les poumons, ont permis de démontrer que les tissus étaient suffisamment solides pour éviter l’éclatement pendant la circulation sanguine et la respiration pulsatile. Les résultats sur la capacité d’oxygénation du modèle 3D sont également très prometteurs. Selon l’article de Science, les globules rouges ont été capables d’absorber l’oxygène pendant qu’ils circulaient dans le réseau sanguin entourant le sac respiratoire.

« Rendre les fichiers de conception d’hydrogel disponibles permettra aux autres d’explorer nos efforts ici, même s’ils utilisent une technologie d’impression 3D future qui n’existe pas aujourd’hui », a déclaré Jordan Miller. « Nous ne sommes qu’au début de notre exploration des architectures trouvées dans le corps humain », a-t-il déclaré. « Nous avons encore beaucoup à apprendre. »