Des scientifiques australiens impriment en 3D des « os » avec des cellules vivantes à température ambiante

Des scientifiques australiens impriment en 3D des « os » avec des cellules vivantes à température ambiante

Une nouvelle bio-encre à base de céramique à prise rapide pourrait permettre aux chirurgiens, à l’avenir, d’imprimer en 3D l’os avec des cellules vivantes pour réparer les tissus osseux endommagés. Des scientifiques de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) à Sydney, en Australie, ont utilisé une imprimante 3D de bureau LulzBot Mini et un bio-encreur personnalisé pour fabriquer des structures osseuses complexes à température ambiante sans avoir à subir des conditions de traitement difficiles qui nécessitent des produits chimiques invasifs, des radiations ou des étapes de post-traitement. La nouvelle stratégie de biofabrication permet de créer des constructions imitant l’os pour la régénération du tissu osseux. À terme, le processus pourrait générer des microenvironnements osseux sur mesure pour la modélisation de la maladie, l’administration multicellulaire, la réparation osseuse in vivo, et même permettre l’intégration de biomolécules sensibles et de médicaments à libération contrôlée.

Inspirés par le processus de l’os où les organismes vivants produisent des minéraux, les scientifiques ont mis au point une nouvelle technique, appelée COBICS (ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions), qui leur permet d’imprimer des constructions imitant l’os qui durcissent en quelques minutes lorsqu’elles sont placées dans l’eau. Dans un article publié dans la revue Advanced Functional Materials, les auteurs décrivent comment ils ont mis au point une bio-encre spéciale au phosphate de calcium dans une matrice de microgel avec des cellules vivantes. L’étude a démontré que des constructions minéralisées pouvaient être déposées dans une forte densité de cellules souches, dirigeant l’organisation cellulaire et induisant l’ostéogenèse in vitro.

Si l’idée de l’impression en 3D de structures imitant les os n’est pas nouvelle, c’est la première fois qu’un tel matériau peut être créé à température ambiante – avec des cellules vivantes – et sans produits chimiques ou radiations agressives. L’auteur principal de l’étude, Iman Roohani, chercheur à l’école de chimie de l’UNSW et responsable du laboratoire de conception des biomatériaux et d’ingénierie tissulaire de l’UNSW, a expliqué qu’il s’agit d’une technologie unique permettant de produire des structures imitant étroitement le tissu osseux.

« Il pourrait être utilisé dans des applications cliniques où il existe une forte demande de réparation in situ de défauts osseux tels que ceux causés par un traumatisme, un cancer, ou lorsqu’un gros morceau de tissu est réséqué », a-t-il précisé.

Exemples de modèles 3D générés par ordinateur (en haut) et de structures osseuses correspondantes imprimées en 3D (en bas) par la technique COBICS. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW).

Cette technologie révolutionnaire a été développée conjointement par Roohani et Kristopher Kilian, professeur associé à l’école de chimie de l’UNSW. Il a décrit le processus comme une avancée significative par rapport à la technologie de pointe actuelle. Jusqu’à présent, pour fabriquer un morceau de matériau semblable à un os afin de réparer le tissu osseux d’un patient, il fallait d’abord aller dans un laboratoire pour fabriquer les structures en utilisant des fours à haute température et des produits chimiques toxiques, a souligné le co-auteur de l’étude. Le matériau sec qui en résulte est ensuite amené dans un environnement clinique ou un laboratoire, où il est abondamment lavé avant que des cellules vivantes n’y soient ajoutées.

Les défauts osseux résultant de blessures ou de maladies nécessitent généralement des interventions chirurgicales. Les options de traitement conventionnelles comprennent le raccourcissement de l’os, l’utilisation d’un cadre externe en métal pour aider à créer de nouveaux os et des greffes osseuses. La réparation des défauts osseux est l’une des procédures de régénération les plus courantes, avec plus de deux millions de greffes osseuses effectuées chaque année dans le monde. Cependant, ces procédures éprouvées sont associées à des résultats cliniques variables de morbidité postopératoire, en particulier au niveau du site du donneur, et à des coûts chirurgicaux accrus. Le domaine de la médecine régénératrice pourrait offrir un immense potentiel pour surmonter ces limites en réparant l’os avec des tissus vivants imprimés en 3D. Bien qu’il s’agisse encore d’un secteur naissant, les progrès réalisés ces dernières années ont permis d’améliorer la compréhension des cellules, le développement des bio-encres et les processus de bio-impression afin d’orienter la technologie vers l’avenir.

Selon M. Kilian, aucune technologie ne peut extruder directement la bio-encre dans une zone contenant des cellules, comme une cavité dans l’os d’un patient. Il a suggéré que les chirurgiens pourraient « aller directement dans l’os avec cette technique », où il y a des cellules, des vaisseaux sanguins et de la graisse, et « imprimer une structure semblable à un os qui contient déjà des cellules vivantes ».

L’étude a été lancée après que les co-auteurs Thomas Molley et Stephanie Nemec aient participé à un atelier du Regenerative Biomaterials &amp ; Therapeutics Group à l’université Carnegie Mellon (CMU), dirigé par le professeur d’ingénierie biomédicale et inventeur de la technique FRESH, Adam Feinberg. Les chercheurs ont fini par ramener chez eux des imprimantes de la CMU en Pennsylvanie. Kilian a réfléchi sur un post de Twitter : « Nous stabilisions des microgels pour la culture cellulaire, ce qui a soulevé la question : Les bains de microgel peuvent-ils supporter des filaments de céramique ? ».

L’équipe s’est mise au travail, démontrant qu’elle pouvait imprimer des architectures complexes de type mimétique des os. Cela a permis de récolter la céramique imprimée comme FRESH ou de l’intégrer à une suspension de microgels chimiquement réticulés et de cellules vivantes, a poursuivi Kilian. Les auteurs affirment que lorsque l’encre est combinée avec une substance collagène contenant des cellules vivantes, elle permet la fabrication in situ de tissus semblables à des os. Ce procédé peut convenir à des applications d’ingénierie des tissus osseux, à la modélisation de maladies, au dépistage de médicaments et à la reconstruction ou au remplacement in situ de défauts osseux et ostéochondrales directement en clinique, en utilisant les cellules des patients en temps réel.

Sara Romanazzo, chercheuse et co-auteur de l’étude, se prépare à utiliser un LulzBot Mini pour imprimer en 3D un morceau d’os en utilisant la technique COBICS. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW).

« L’encre tire parti d’un mécanisme de fixation par la nanocristallisation locale de ses composants dans des environnements aqueux, convertissant l’encre inorganique en nanocristaux d’apatite osseuse mécaniquement imbriqués », a déclaré M. Roohani. « En d’autres termes, elle forme une structure qui est chimiquement similaire aux blocs de construction osseuse. L’encre est formulée de telle manière que la conversion est rapide, non toxique dans un environnement biologique, et qu’elle ne s’amorce que lorsque l’encre est exposée aux fluides corporels, offrant ainsi un temps de travail suffisant pour l’utilisateur final, par exemple les chirurgiens ».

Le nouveau procédé d’impression 3D de l’os pourrait ouvrir une toute nouvelle voie de traitement et de réparation du tissu osseux. L’étude a donc déjà attiré l’attention des chirurgiens et des fabricants de technologies médicales intéressés. M. Kilian espère qu’un jour, un patient ayant besoin d’une greffe osseuse pourra se rendre dans une clinique où la structure anatomique de son os sera imagée, traduite sur une imprimante 3D et directement imprimée dans la cavité avec ses cellules. Ensuite, le duo effectuera des tests in vivo sur des modèles animaux pour voir si les cellules vivantes des constructions osseuses continuent à croître après avoir été implantées dans le tissu osseux existant et invitera les dentistes, les chirurgiens orthopédiques, les spécialistes des os et les instituts de recherche à explorer le potentiel de leur technique COBICS pour créer des matrices osseuses synthétiques in situ.

L’impression 3D « Bone » avec des cellules vivantes à Room Temp, réalisée par des scientifiques australiens, est apparue pour la première fois sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.