Les échafaudages bio-piézoélectriques imprimés en 3D/4D montrent un potentiel dans l’ingénierie des tissus osseux

La piézoélectricité est reconnue comme le facteur clé de la régénération osseuse. Cependant, les échafaudages de fabrication additive actuels se concentrent principalement sur la reconstruction de la structure topologique bionique et du microenvironnement mécanique, tandis que le microenvironnement électrique crucial (EM) dans la régénération osseuse est négligé.

La recherche, publiée dans Journal international de la fabrication extrême montre l’énorme potentiel de l’impression 3D/4D d’échafaudages bio-piézoélectriques pour l’ingénierie des tissus osseux de nouvelle génération.

Il existe un écart important entre les capacités des techniques d’impression 3D/4D actuelles et les exigences d’application clinique des échafaudages bio-piézoélectriques. Son développement nécessite un effort conjoint d’études multidisciplinaires comprenant la science des matériaux, le génie mécanique et la bio-ingénierie. Son adoption généralisée devrait également s’inspirer de certaines technologies de pointe telles que la fabrication intelligente, la médecine bionique et l’apprentissage automatique.

« En principe, cela ouvre la conception et la fabrication d’un échafaudage piézoélectrique biologique intelligent qui favorise la réparation osseuse en imitant le microenvironnement électrique crucial du tissu », a déclaré Annan Chen, stagiaire postdoctoral à la City University de Hong Kong et premier auteur de l’étude. .

« Essentiellement, il offre de nouvelles lumières vers une percée potentielle dans la construction d’échafaudages intelligents pour l’ingénierie des tissus osseux de nouvelle génération », ont déclaré le professeur Chunze Yan, professeur à l’Université de technologie des sciences de Huazhong, et le professeur Jian Lu, professeur titulaire à l’Université de la ville de Hong Kong.

Cette piézoélectricité a été mise en évidence dans les os humains, qui génèrent des charges positives et négatives lorsqu’ils sont soumis à une compression ou à une tension. Par exemple, le tibia humain peut générer un potentiel piézoélectrique d’environ 300 μV pendant la marche. Par conséquent, les matériaux piézoélectriques présentent des avantages uniques dans la simulation de l’EM des tissus osseux, ce qui peut favoriser de manière significative le métabolisme des cellules et la formation de nouveaux os.

Les charges de surface des matériaux piézoélectriques peuvent attirer des ions pour favoriser l’adhésion cellulaire par interaction d’ions ou de charges, ainsi qu’activer l’expression du facteur de croissance pour améliorer la prolifération cellulaire et la différenciation ostéogénique.

Les échafaudages bio-piézoélectriques fabriqués par additif peuvent reconstruire le tissu EM souhaité grâce à une stimulation ultrasonique non invasive. Ce comportement de changement de fonctionnalité dépendant du temps des structures 3D lorsqu’elles sont exposées à un stimulus externe est également défini comme une impression en quatre dimensions (4D). Ces nouveaux échafaudages bio-piézoélectriques à fonctionnalité 4D peuvent fournir un microenvironnement électrophysiologique programmable en fonction du temps en réponse à des stimuli externes pour la régénération tissulaire.

Chen a commencé à expérimenter certains matériaux piézoélectriques biologiques sans plomb qui ont été découverts il y a des années, mais largement ignorés. Il s’est concentré sur l’impression 3D/4D intégrée matériau-topographie-biofonctionnalité de matériaux bio-piézoélectriques pour des applications biologiques avancées.

Au grand étonnement des scientifiques, les matériaux bio-piézoélectriques ont montré une excellente aptitude au traitement et une biocompatibilité. De plus, ils étaient multicellulaires inductibles. « Nous avons découvert que leur microenvironnement électrique peut induire la différenciation des cellules osseuses, favoriser le recrutement des cellules vasculaires et la réparation des cellules nerveuses », a déclaré Chen. Cela montre un grand potentiel pour les applications cliniques.

Mais pour la médecine clinique, le plus frappant était que la stratégie de reconstitution de l’échafaudage bio-piézoélectrique était peu invasive ou non invasive. « Lors d’un traitement programmable par ultrasons ou magnétique en tant que stimulus mécanique à distance, la stimulation électrique in vivo à la demande avec une chronologie, une durée et une force réglables peut être délivrée », a déclaré Yan.

Chen, Yan, Lu et leur laboratoire ont travaillé avec d’autres scientifiques de l’université pour essayer de combiner les avantages de plusieurs disciplines afin de promouvoir les échafaudages biologiques piézoélectriques intelligents 3D/4D dans davantage d’applications médicales. « Nous menons des recherches coopératives avec des experts en orthopédie, stomatologie, oncologie et autres domaines, et avons obtenu les résultats de recherche attendus », a déclaré Chen.

Au fil des ans, la technologie d’impression 3D/4D a incorporé de nombreux avantages observés dans les techniques de production traditionnelles. Bien qu’il reste encore un long chemin à parcourir pour passer de la paillasse au chevet du patient, l’équipe exprime son optimisme quant à l’avenir de l’impression 3D/4D. « L’impression 3D/4D d’échafaudages bio-piézoélectriques intègre pleinement les avantages de plusieurs disciplines telles que la science des matériaux, le génie mécanique et la bio-ingénierie. Son grand développement nécessite un effort conjoint multidisciplinaire », a déclaré le professeur Lu.

« Avec les efforts de collaboration d’études multidisciplinaires, l’impression 3D/4D devrait bientôt atteindre son plein potentiel dans la création d’échafaudages bio-piézoélectriques intelligents pour l’ingénierie tissulaire de nouvelle génération. En outre, nous pouvons également nous inspirer de certaines technologies de pointe telles que comme la fabrication intelligente, la médecine bionique et l’apprentissage automatique, afin de promouvoir davantage l’application clinique de cette technologie. »