Comprendre la bio-impression et ses applications

La bioimpression, un type de impression en 3D, utilise des cellules et d'autres matériaux biologiques comme «encres» pour fabriquer des structures biologiques 3D. Les matériaux bioimprimés ont le potentiel de réparer les organes, les cellules et les tissus endommagés du corps humain. À l'avenir, la bio-impression peut être utilisée pour construire des organes entiers à partir de zéro, une possibilité qui pourrait transformer le domaine de la bio-impression.

Les chercheurs ont étudié la bioimpression de nombreux différents types de cellules, y compris les cellules souches, les cellules musculaires et les cellules endothéliales. Plusieurs facteurs déterminent si un matériau peut être imprimé ou non. Premièrement, les matériaux biologiques doivent être biocompatibles avec les matériaux de l'encre et de l'imprimante elle-même. De plus, les propriétés mécaniques de la structure imprimée, ainsi que le temps nécessaire à la maturation de l'organe ou du tissu, affectent également le processus.

Les bio-liens appartiennent généralement à l'un des deux types suivants:

• Gels à base d'eau, ou hydrogels, agissent comme des structures 3D dans lesquelles les cellules peuvent prospérer. Les hydrogels contenant des cellules sont imprimés dans des formes définies, et polymères dans les hydrogels sont réunis ou "réticulés" de sorte que le gel imprimé devient plus fort. Ces polymères peuvent être d'origine naturelle ou synthétique, mais doivent être compatibles avec les cellules.
• Agrégats de cellules qui fusionnent spontanément dans les tissus après l'impression.

Le processus de bioimpression présente de nombreuses similitudes avec le processus d'impression 3D. La bio-impression est généralement divisée en plusieurs étapes:

• Prétraitement: Un modèle 3D basé sur une reconstruction numérique de l'organe ou du tissu à imprimer est préparé. Cette reconstruction peut être créée à partir d'images capturées de manière non invasive (par exemple avec un IRM) ou par un processus plus invasif, comme une série de tranches bidimensionnelles imagées avec des rayons X.
• En traitement: Le tissu ou l'organe basé sur le modèle 3D au stade du prétraitement est imprimé. Comme dans d'autres types d'impression 3D, des couches de matériau sont successivement ajoutées afin d'imprimer le matériau.
• Post-traitement: Les procédures nécessaires sont effectuées pour transformer l'impression en un organe ou un tissu fonctionnel. Ces procédures peuvent inclure le placement de l'impression dans une chambre spéciale qui aide les cellules à mûrir correctement et plus rapidement.

Comme avec d'autres types d'impression 3D, les bio-liens peuvent être imprimés de différentes manières. Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients.

• Bio-impression à jet d'encre agit de la même manière qu'une imprimante à jet d'encre de bureau. Lorsqu'un motif est imprimé avec une imprimante à jet d'encre, l'encre est projetée par de nombreuses petites buses sur le papier. Cela crée une image composée de nombreuses gouttelettes qui sont si petites qu'elles ne sont pas visibles à l'œil nu. Les chercheurs ont adapté l'impression à jet d'encre pour la bioimpression, y compris des méthodes qui utilisent la chaleur ou les vibrations pour pousser l'encre à travers les buses. Ces bioprinters sont plus abordables que d'autres techniques, mais se limitent aux bio-liens de faible viscosité, ce qui pourrait à son tour contraindre les types de matériaux pouvant être imprimés.
• Laser-assistébio-impression utilise un laser pour déplacer les cellules d'une solution sur une surface avec une grande précision. Le laser chauffe une partie de la solution, créant une poche d'air et déplaçant les cellules vers une surface. Parce que cette technique ne nécessite pas de petites buses comme dans la bio-impression à jet d'encre, des matériaux de viscosité plus élevée, qui ne peuvent pas s'écouler facilement à travers les buses, peuvent être utilisés. La bio-impression assistée par laser permet également une impression de très haute précision. Cependant, la chaleur du laser peut endommager les cellules en cours d'impression. De plus, la technique ne peut pas être facilement «mise à l'échelle» pour imprimer rapidement des structures en grandes quantités.
• Bio-impression basée sur l'extrusion utilise la pression pour forcer le matériau à sortir d'une buse pour créer des formes fixes. Cette méthode est relativement polyvalente: des biomatériaux de viscosités différentes peuvent être imprimés par réglage de la pression, bien que des précautions doivent être prises car des pressions plus élevées sont plus cellules. La bioimpression basée sur l'extrusion peut probablement être mise à l'échelle pour la fabrication, mais peut ne pas être aussi précise que d'autres techniques.
• Bioprinters électrospray et électrofilature utiliser des champs électriques pour créer des gouttelettes ou des fibres, respectivement. Ces méthodes peuvent avoir une précision pouvant atteindre le nanomètre. Cependant, ils utilisent une tension très élevée, ce qui peut être dangereux pour les cellules.

Parce que la bio-impression permet la construction précise de structures biologiques, la technique peut trouver de nombreuses utilisations en biomédecine. Les chercheurs ont utilisé la bioimpression pour introduire des cellules pour aider à réparer le cœur après une crise cardiaque ainsi que pour déposer des cellules dans la peau ou le cartilage blessés. La bio-impression a été utilisée pour fabriquer des valvules cardiaques pouvant être utilisées par des patients atteints de maladies cardiaques, construire des tissus musculaires et osseux et aider à réparer les nerfs.

Bien que davantage de travail doive être fait pour déterminer comment ces résultats fonctionneraient dans un cadre clinique, la recherche montre que la bioimpression peut être utilisée pour aider à régénérer les tissus pendant la chirurgie ou après blessure. Les bioprinters pourraient, à l'avenir, également permettre à des organes entiers comme le foie ou le cœur d'être fabriqués à partir de zéro et utilisés dans des transplantations d'organes.

En plus de la bioimpression 3D, certains groupes ont également examiné la bioimpression 4D, qui prend en compte la quatrième dimension du temps. La bio-impression 4D est basée sur l'idée que les structures 3D imprimées peuvent continuer à évoluer dans le temps, même après leur impression. Les structures peuvent ainsi changer de forme et / ou de fonction lorsqu'elles sont exposées au bon stimulus, comme la chaleur. La bio-impression 4D peut trouver une utilisation dans des domaines biomédicaux, comme la fabrication de vaisseaux sanguins en tirant parti de la façon dont certaines constructions biologiques se plient et roulent.

Bien que la bio-impression puisse aider à sauver de nombreuses vies à l'avenir, un certain nombre de défis restent à relever. Par exemple, les structures imprimées peuvent être faibles et incapables de conserver leur forme après avoir été transférées à l'emplacement approprié sur le corps. De plus, les tissus et les organes sont complexes, contenant de nombreux types différents de cellules disposées de manière très précise. Les technologies d'impression actuelles peuvent ne pas être en mesure de reproduire de telles architectures complexes.

Enfin, les techniques existantes sont également limitées à certains types de matériaux, à une gamme limitée de viscosités et à une précision limitée. Chaque technique a le potentiel d'endommager les cellules et autres matériaux imprimés. Ces questions seront abordées à mesure que les chercheurs continueront à développer la bioimpression pour s'attaquer à des problèmes d'ingénierie et médicaux de plus en plus difficiles.

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