Des chercheurs en riz impriment en 3D avec des lasers et du sucre pour créer des réseaux vasculaires complexes

Des chercheurs en riz impriment en 3D avec des lasers et du sucre pour créer des réseaux vasculaires complexes

Une équipe de chercheurs de l'Université Rice a découvert une stratégie prometteuse pour générer des réseaux vasculaires, l'une des structures les plus intimidantes du corps humain. En utilisant du sucre en poudre et un frittage laser sélectif, les chercheurs ont pu construire de grandes structures à partir de réseaux de sucre complexes, ramifiés et complexes qui se dissolvent pour créer des voies pour le sang dans les tissus cultivés en laboratoire.

Voici l'équipe

« L’un des plus grands obstacles à l’ingénierie des tissus cliniquement pertinents est de conditionner une grande structure tissulaire avec des centaines de millions de cellules vivantes », a déclaré l’auteur principal de l’étude Ian Kinstlinger, étudiant diplômé en bio-ingénierie à la Rice’s Brown School of Engineering. «Fournir suffisamment d’oxygène et de nutriments à toutes les cellules de ce grand volume de tissu devient un défi monumental. La nature a résolu ce problème grâce à l’évolution de réseaux vasculaires complexes, qui se faufilent à travers nos tissus et organes selon des motifs qui rappellent les branches des arbres. Les vaisseaux deviennent simultanément plus petits en épaisseur mais plus nombreux en s’éloignant d’un tronc central, permettant à l’oxygène et aux nutriments d’être efficacement délivrés aux cellules de tout le corps. »

Surmonter les complications de la vascularisation de l'impression 3D est resté un défi critique en ingénierie tissulaire pendant des décennies, car seule une poignée de processus d'impression 3D ont réussi à imiter les conditions in vivo nécessaires pour générer des vaisseaux sanguins. Sans eux, l'avenir des organes et tissus bioimprimés destinés à la transplantation restera incertain. De nombreux organes ont des vaisseaux particulièrement complexes, comme le rein, qui est très vascularisé et reçoit normalement un cinquième du débit cardiaque, ou le foie, chargé de recevoir plus de 30% du flux sanguin du cœur. De loin, la transplantation rénale est le type de transplantation d'organes le plus répandu dans le monde, suivie des greffes du foie, ce qui rend crucial pour les experts en médecine régénérative de s'attaquer à la vascularisation.

Ian Kinstlinger avec un modèle de vaisseau sanguin qu'il a imprimé en 3D à partir de sucre en poudre (Crédit: Jeff Fitlow / Rice University)

Au cours des dernières années, des techniques d'impression 3D basées sur l'extrusion ont été développées pour l'ingénierie des tissus vasculaires, cependant, les auteurs de cette étude ont considéré que la méthode présentait certains défis, ce qui les a amenés à utiliser un

Miller a commencé à travailler sur l'approche de frittage laser peu de temps après avoir rejoint Rice en 2013. Le processus d'impression 3D fusionne de minuscules grains de poudre en objets 3D solides, rendant possible certaines structures complexes et détaillées. Contrairement à l'impression 3D par extrusion plus courante, où des brins de matériau fondus sont déposés à travers une buse, le frittage laser fonctionne en faisant fondre et en fusionnant de petites régions dans un lit de poudre sèche. Selon Miller,

«Il y a certaines architectures – telles que les structures en surplomb, les réseaux ramifiés et les réseaux multivasculaires – que vous ne pouvez vraiment pas bien faire avec l’impression par extrusion», a déclaré Miller, qui a démontré le concept de modélisation du sucre avec une imprimante d’extrusion 3D lors de ses études postdoctorales à l’Université de Pennsylvanie. «Le frittage laser sélectif nous donne beaucoup plus de contrôle dans les trois dimensions, nous permettant d’accéder facilement à des topologies complexes tout en préservant l’utilité du sucre.»

Professeur adjoint de

La génération de nouveaux processus d'impression 3D et de biomatériaux pour la vascularisation est l'une des principales priorités des chercheurs de Miller

Pour fabriquer des mouchoirs, Kinstlinger a choisi un mélange spécial de sucres pour imprimer les modèles, puis a rempli le volume autour du réseau de sucre imprimé avec un mélange de cellules dans un gel liquide. En quelques minutes, le gel est devenu semi-solide et le sucre s'est dissous et rincé pour laisser un passage ouvert pour les nutriments et l'oxygène. De toute évidence, le sucre était un excellent choix pour l'équipe, offrant la possibilité de créer des modèles de vaisseaux sanguins car il est durable lorsqu'il est sec et se dissout rapidement dans l'eau sans endommager les cellules voisines.

Un échantillon de modèles de vaisseaux sanguins que les bio-ingénieurs de l'Université Rice ont imprimés en 3D en utilisant un mélange spécial de sucres en poudre. (Crédit: B. Martin / Rice University)

Afin de créer les architectures vasculaires arborescentes dans l'étude, les chercheurs ont développé un algorithme de calcul en collaboration avec Nervous System, un studio de conception qui utilise la simulation informatique pour créer des objets d'art, des bijoux et des articles ménagers uniques qui sont inspirés par des motifs trouvés dans la nature. Après avoir créé des tissus modelés avec ces architectures vasculaires générées par calcul, l'équipe a démontré l'ensemencement de cellules endothéliales à l'intérieur des canaux et s'est concentrée sur l'étude de la survie et de la fonction des cellules cultivées dans le tissu environnant, qui comprenait des cellules hépatiques de rongeurs appelées hépatocytes.

Les expériences sur les hépatocytes ont été menées en collaboration avec l'Université de Washington (UW)

«Cette méthode pourrait être utilisée avec une gamme beaucoup plus large de cocktails de matériaux que de nombreuses autres technologies de bioimpression. Cela le rend incroyablement polyvalent », a expliqué Stevens, professeur adjoint de bio-ingénierie au UW College of Engineering, professeur adjoint de pathologie à la UW School of Medicine et chercheur à l’Institut de médecine des cellules souches et de la médecine régénérative de l’UW.

Les résultats de l'étude ont permis à l'équipe de poursuivre son travail vers la création de tissus modifiés par traduction. L'utilisation du sucre comme ingrédient spécial et des techniques de frittage laser sélectif pourrait aider à faire avancer le domaine vers la mimétisme de la fonction des réseaux vasculaires dans le corps, pour enfin fournir suffisamment d'oxygène et de nutriments à toutes les cellules à travers un grand volume de tissu.

Miller a considéré qu’avec l’équipe, ils ont pu prouver que

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