Alors que l’impression 3D standard utilise un plan numérique pour fabriquer un objet à partir de matériaux comme le plastique ou la résine, la bio-impression 3D fabrique des pièces et des tissus biologiques à partir de cellules vivantes, ou bio-encres. Une quatrième dimension – la transformation de la forme au fil du temps – peut être obtenue en incorporant des matériaux qui permettent aux constructions imprimées de se transformer plusieurs fois de manière préprogrammée ou à la demande en réponse à des signaux externes.
Les constructions de bio-impression 4D offrent aux scientifiques la possibilité de mieux imiter les changements de forme qui se produisent pendant le développement, la guérison et le fonctionnement normal de vrais tissus et de fabriquer des structures complexes.
Une nouvelle étude dans la revue scientifique Matériaux avancés décrit le développement d’une nouvelle bioencre chargée de cellules, composée de microgels et de cellules vivantes étroitement emballés en forme de flocons, pour la bioimpression de constructions 4D. Ce nouveau système permet la production de bioconstructions riches en cellules qui peuvent changer de forme dans des conditions physiologiques.
Intitulée « Jammed Micro-Flake Hydrogel for Four-Dimensional Living Cell Bioprinting », l’étude est rédigée par des ingénieurs de l’Université de l’Illinois à Chicago qui ont créé la bioencre et mené des expériences sur des prototypes d’hydrogels.
Leurs expériences ont abouti à une variété de bioconstructions complexes avec des configurations bien définies et une viabilité cellulaire élevée, y compris une formation de tissu de type cartilage 4D. D’autres conceptions démontrent des transformations complexes et multiples de formes 3D à 3D dans des bioconstructions fabriquées en une seule impression.
« Ce système bioink offre la possibilité d’imprimer des bioconstructions capables de réaliser des changements architecturaux plus sophistiqués au fil du temps que ce qui était auparavant possible. Ces structures riches en cellules avec un morphing de forme préprogrammable et contrôlable promettent de mieux imiter les processus de développement naturels du corps et pourraient aider les scientifiques mener des études plus précises sur la morphogenèse des tissus et réaliser de plus grands progrès dans l’ingénierie tissulaire », a déclaré l’auteur correspondant de l’étude, Eben Alsberg, titulaire de la chaire Richard et Loan Hill, qui a des nominations dans les départements de génie biomédical, de génie mécanique et industriel, de pharmacologie et de médecine régénérative, et orthopédie.
Alsberg dit que la bioencre fait progresser les technologies précédentes de plusieurs manières.
« Les bio-encres ont ce qu’on appelle des propriétés d’amincissement par cisaillement et d’auto-guérison rapide qui permettent une impression fluide par extrusion avec une haute résolution et une haute fidélité sans bain de support. Les bioconstructions imprimées, après une stabilisation supplémentaire par une réticulation à base de lumière, restent intactes tout en – par exemple – se plier, se tordre ou subir un certain nombre de déformations multiples. Avec ce système, des tissus ressemblant à du cartilage avec des formes complexes qui évoluent avec le temps pourraient être bio-conçus « , a déclaré Alsberg. « Une autre réalisation clé a été la conception d’un système qui permet la fabrication de bioconstructions capables de subir des transformations complexes de forme 3D à 3D. »
« Il s’agit du premier système qui répond aux exigences élevées des constructions 4D de bio-impression : charger des cellules vivantes dans des bio-encres, permettre l’impression de grandes structures complexes, déclencher la transformation de la forme dans des conditions physiologiques, soutenir la viabilité cellulaire à long terme et faciliter les fonctions cellulaires souhaitées telles que les tissus régénération », a déclaré Aixiang Ding, associé de recherche postdoctoral à l’UIC et premier auteur de l’article. « Nous nous efforçons de traduire ce système en applications cliniques de l’ingénierie tissulaire, car il existe une pénurie critique de tissus et d’organes de donneurs disponibles. »
Oju Jeon, David Cleveland, Kaelyn Gasvoda, Derrick Wells et Sang Jin Lee de l’UIC sont co-auteurs de l’article.
Aixiang Ding et al, Jammed Micro-Flake Hydrogel for Four-Dimensional Living Cell Bioprinting, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202109394