Un pansement pour le cœur ? Une nouvelle méthode d’impression 3D rend cela possible, et bien plus encore

Dans leur quête de développement de matériaux réalistes pour remplacer et réparer des parties du corps humain, les scientifiques sont confrontés à un défi de taille : les tissus réels sont souvent à la fois solides et extensibles et varient en forme et en taille.

Une équipe dirigée par l’Université du Colorado à Boulder, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie, a franchi une étape cruciale vers la résolution de ce problème. Ils ont mis au point une nouvelle méthode d’impression 3D de matériaux qui sont à la fois suffisamment élastiques pour résister aux battements persistants d’un cœur, suffisamment résistants pour supporter la charge écrasante exercée sur les articulations et facilement modelables pour s’adapter aux défauts uniques d’un patient.

Mieux encore, il adhère facilement aux tissus humides.

Leur percée, décrite dans l’édition du 2 août de la revue Sciencecontribue à ouvrir la voie à une nouvelle génération de biomatériaux, allant des bandages internes qui délivrent des médicaments directement au cœur aux patchs de cartilage et aux sutures sans aiguille.

« Les tissus cardiaques et cartilagineux sont similaires dans le sens où ils ont une capacité très limitée à se réparer. Lorsqu’ils sont endommagés, il n’y a pas de retour en arrière », a déclaré l’auteur principal Jason Burdick, professeur de génie chimique et biologique au BioFrontiers Institute de l’Université du Colorado à Boulder. « En développant de nouveaux matériaux plus résistants pour améliorer ce processus de réparation, nous pouvons avoir un impact important sur les patients. »

Les « blobs » de vers comme source d’inspiration

Historiquement, les dispositifs biomédicaux ont été créés par moulage ou coulage, des techniques qui fonctionnent bien pour la production en masse d’implants identiques, mais qui ne sont pas pratiques lorsqu’il s’agit de personnaliser ces implants pour des patients spécifiques. Ces dernières années, l’impression 3D a ouvert un monde de nouvelles possibilités pour les applications médicales en permettant aux chercheurs de fabriquer des matériaux de formes et de structures diverses.

Contrairement aux imprimantes classiques, qui déposent simplement de l’encre sur du papier, les imprimantes 3D déposent couche après couche de plastique, de métaux ou même de cellules vivantes pour créer des objets multidimensionnels.

Un matériau spécifique, connu sous le nom d’hydrogel (la matière dont sont faites les lentilles de contact), est devenu un candidat privilégié pour la fabrication de tissus, d’organes et d’implants artificiels.

Mais les faire passer du laboratoire à la clinique s’est avéré difficile, car les hydrogels traditionnels imprimés en 3D ont tendance à se casser lorsqu’ils sont étirés, à se fissurer sous la pression ou à être trop rigides pour se mouler autour des tissus.

« Imaginez que vous ayez un plastique rigide collé à votre cœur. Il ne se déformerait pas lorsque votre cœur battrait », a déclaré Burdick. « Il se briserait tout simplement. »

Pour obtenir à la fois résistance et élasticité dans les hydrogels imprimés en 3D, Burdick et ses collègues se sont inspirés des vers, qui s’emmêlent et se démêlent à répétition les uns autour des autres dans des « amas de vers » tridimensionnels aux propriétés à la fois solides et liquides. Des recherches antérieures ont montré que l’incorporation de chaînes de molécules entrelacées de manière similaire, appelées « enchevêtrements », peut les rendre plus résistants.

Leur nouvelle méthode d’impression, connue sous le nom de CLEAR (pour Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), suit une série d’étapes pour enchevêtrer de longues molécules à l’intérieur de matériaux imprimés en 3D, un peu comme ces vers entrelacés.

Lorsque l’équipe a étiré et soumis ces matériaux à des charges en laboratoire (une chercheuse a même écrasé un échantillon avec son vélo), elle a découvert qu’ils étaient exponentiellement plus résistants que les matériaux imprimés avec une méthode standard d’impression 3D appelée Digital Light Processing (DLP). Mieux encore : ils se sont également conformés et sont restés collés aux tissus et organes animaux.

« Nous pouvons désormais imprimer en 3D des matériaux adhésifs suffisamment résistants pour soutenir mécaniquement les tissus », a déclaré Matt Davidson, co-auteur principal et chercheur associé au laboratoire Burdick. « Nous n’avions jamais pu faire cela auparavant. »

Révolutionner les soins

Burdick imagine un jour où de tels matériaux imprimés en 3D pourraient être utilisés pour réparer des défauts cardiaques, administrer des médicaments régénérant les tissus directement aux organes ou au cartilage, restreindre les hernies discales ou même recoudre des personnes au bloc opératoire sans infliger de dommages aux tissus comme le font une aiguille et une suture.

Son laboratoire a déposé un brevet provisoire et prévoit de lancer prochainement d’autres études pour mieux comprendre comment les tissus réagissent à la présence de tels matériaux.

Mais l’équipe souligne que leur nouvelle méthode pourrait avoir des effets bien au-delà de la médecine, dans la recherche et la fabrication également. Par exemple, leur méthode élimine le besoin d’énergie supplémentaire pour durcir les pièces, ce qui rend le processus d’impression 3D plus respectueux de l’environnement.

« Il s’agit d’une méthode de traitement 3D simple que les gens pourraient utiliser dans leurs propres laboratoires universitaires ainsi que dans l’industrie pour améliorer les propriétés mécaniques des matériaux pour une grande variété d’applications », a déclaré le premier auteur Abhishek Dhand, chercheur au laboratoire Burdick et doctorant au département de bio-ingénierie de l’Université de Pennsylvanie. « Cela résout un gros problème pour l’impression 3D. »

Parmi les autres co-auteurs de l’article figurent Hannah Zlotnick, chercheuse postdoctorale au Burdick Lab, et les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) Thomas Kolibaba et Jason Killgore.