La réalisation du tissu organique et le processus d’impression de structures vivantes :
Présent chez tous les êtres vivants, le tissu organique est un agrégat de cellules qui constitue un état intermédiaire entre cellule et organe.
Notre organisme est constitué de différents types de tissus, comme les tissus cartilagineux, les tissus nerveux, les tissus adipeux ou les tissus musculaires. Aujourd’hui, dans le domaine de l’impression 3D à destination médicale, les recherches se concentrent surtout sur l’impression de ces tissus, qui en plus d’être d’une constitution relativement simple, représentent le premier niveau d’organisation supra-cellulaire.
La véritable impression 3D médicale telle qu’on l’entend consiste donc en réalité à imprimer des amas de cellules en leur donnant la forme nécessaire pour obtenir un tissu hétérogène, vivant et fonctionnel tel qu’on en trouve dans le vivant. Cette méthode d’impression est une sorte d’évolution de l’impression biologique en 2D déjà développée.
Cartilage hyalin colorisé (crédits : medcell.med.yale.edu)
Commençons donc à l’origine du processus, avec “l’encre” biologique qui sera utilisée sur la tête de projection. Cette encre est en fait un gel contenant une suspension de cellules. Ce gel, un hydrogel similaire a celui utilisé dans les lentilles de contact, aura pour rôle d’assurer le maintien de la structure imprimée et surtout de préserver l’intégrité de la cellule au cours du processus d’impression.
Cette encre est ensuite introduite en amont de la tête d’impression, et est projetée sur le support couche par couche selon le modèle informatique, à la manière d’une imprimante 3D traditionnelle. Une fois que l’encre a été projetée sur le support, l’hydrogel maintient la structure en place, et permet aux cellules de commencer leur développement.
Cependant, certains problèmes subsistent toujours, comme le faible taux de survie des cellules écrasées par le passage dans la tête d’impression, ou encore un développement des cellules quasi inexistant à cause de facteurs encore indéterminés.
Ces contraintes font que de nos jours, l’impression 3D médicale reste essentiellement limitée à un usage pharmaceutique, pour des tests médicamenteux les plus probants possibles.
Des expériences ont déjà été effectuées en laboratoire pour l’impression 3D de cartilages. Mais ces cartilages artificiels ne résistaient même pas à des points de suture, il était donc impossible d’envisager de les implanter dans des organismes. Pour tenter de pallier à ce problème, des chercheurs travaillent actuellement sur un bioréacteur pour faire subir au cartilage des contraintes similaires à celles subies par un cartilage arrivant naturellement à maturité.
Plus récemment, en 2016 des chercheurs de l’université de Pennsylvanie aux Etats Unis ont imprimé en 3D un cartilage à partir de cellules de vaches. La nouveauté dans leur méthode est qu’ils n’ont cette fois pas utilisé de matrice d’hydrogel, qui était pour eux à l’origine des échecs passés. Ils ont donc utilisé des capsules tubulaires d’alginate (“biopolymère étant un composant essentiel de la paroi cellulaire des algues brunes”, Encyclopédie Larousse) dans lesquelles des cellules cartilagineuses de vache ont été mises en culture.
Schéma du concept issu de l’étude publiée dans Scientific Reports
Les cellules sont donc prélevées sur le sujet. Les cellules récoltées sont mises en culture.
Une première tête d’impression façonne l’encre par extrusion coaxiale, un tube constitué d’alginate est imprimé avec son contenu, les cellules de cartilage de vache.
Vidéo résumant le principe d’extrusion coaxiale
Par agrégation des cellules, on obtient un tissu de forme cylindrique.
Ces microscopiques brins de tissu sont ensuite disposés en filets entrecroisés, pour former la structure désirée.
Pour mieux visualiser la démarche, se reporter aux vidéos liées à l’étude.
Les brins ainsi fabriqués facilitent la fusion et la maturation par auto-assemblage, permettent la bio impression sous forme solide, n'ont pas besoin d'un milieu liquide lors de l'extrusion (contrairement aux cellules introduites dans l’hydrogel) et ne nécessitent pas de structure pour la fusion cellulaire.
Cette dernière méthode est de loin la plus prometteuse, car elle permet d’éviter l’utilisation d’hydrogels potentiellement toxiques, permet une densité de cellules élevée (en effet, une fois l’alginate dégradée, les cellules sont en contact direct) et rend donc les interactions entre cellules plus faciles.
Cependant, c’est une avancée récente qui n’a été utilisée que quelques fois à titre expérimental, contrairement à la méthode basée sur les hydrogels.
Actuellement, les tissus cellulaires imprimables en 3D restent un projet à développer.
Mais avant même de penser à imprimer, il faut savoir ce que l’on va imprimer. La modélisation des organes est en effet une des phases les plus importantes de l’impression.
Voici comment il serait possible de réaliser les modèles d’organes en 3 dimensions avec les technologies actuelles :
