La technologie et la médecine progressent sans cesse. D'une part, l'impression en 3D révolutionne notre processus de création. D'autre part, la cryopréservation par des températures cryogéniques pourrait permettre des développements incroyables dans le domaine médical. Mais la vraie magie se produit lorsque tu associes la technologie et la médecine pour créer quelque chose d'entièrement nouveau. Laisse-moi te présenter : L'impression 3D cryogénique.
Recherche
L'impression 3D cryogénique vise à créer des hydrogels congelés en utilisant la cryopréservation pour stabiliser l'objet imprimé dans un état idéal. Ensuite, lorsqu'on en a besoin, on peut les réchauffer. Cette procédure a été publiée pour la première fois par le département de génie mécanique de l'université de Californie en 2015. Elle a depuis servi de base à d'autres publications et à d'autres études de recherche.
L'objectif final est la création réussie d'organes et de tissus humains entièrement fonctionnels, imprimés en 3D et destinés à la transplantation. Toutefois, pour comprendre le fonctionnement de l'impression 3D cryogénique, nous devons d'abord nous familiariser avec les différents éléments qui la composent.
Impression 3D
Tu sais certainement ce que signifie "imprimer". En 1455, la première imprimante connue a été fabriquée par Johann Gutenberg. Il a donné le coup d'envoi de la renaissance de l'éducation en produisant des livres en masse pour la première fois. Avant cette invention, chaque livre devait être écrit à la main. Si tu voulais un deuxième exemplaire, tu devais réécrire le même livre - ce qui est inconcevable selon les normes d'aujourd'hui.
L'impression 3D vise à étendre cette révolution au-delà du plan bidimensionnel en rendant possible l'impression de n'importe quel objet en 3D auquel tu peux penser. Elle a cependant ses limites, qui empêchent les imprimantes 3D d'être utilisées pour la production de masse. Au lieu de cela, elles sont actuellement utilisées pour imprimer des objets spécifiques et difficiles à fabriquer, comme certains prototypes. Elles peuvent également imprimer des produits finis tels que des bijoux, des outils, des jouets, des articles de fantaisie ou même des prothèses.
L'impression 3D est un procédé additif. Cela signifie que, contrairement à la sculpture sur bois ou à la plupart des travaux sur métal, l'objet désiré est construit à partir de la base et non découpé dans un objet existant. Des programmes informatiques sont utilisés pour indiquer à l'imprimante ce qu'elle doit imprimer. Grâce à eux, les concepteurs peuvent créer des modèles numériques 3D, ou modèles CAO, qui sont ensuite envoyés à l'imprimante 3D pour assurer la production. Autodesk Fusion 360, Autodesk AutoCAD, Ultimaker Cura, TinkerCAD et SketchUp sont parmi les programmes les plus utilisés à l'heure actuelle. Il existe différents types d'imprimantes 3D, qui utilisent différentes méthodes (et matériaux) pour créer l'objet 3D. Si tu souhaites avoir un aperçu compact de ce qui existe sur le marché, jette un coup d'œil à cette vidéo.
Bioprinting (Bio-impression)
La bio-impression est une sous-catégorie de l'impression 3D qui utilise des matériaux biologiques comme les cellules ou les biomatériaux pour fabriquer des pièces biomédicales. Contrairement au matériau habituellement utilisé pour l'impression 3D, le plastique ou la résine, les composants biologiques nécessitent des étapes supplémentaires pour conserver leur forme (et leur fonction) :
- Pré-impression - Contrairement à l'impression 3D normale, l'objectif de la bio-impression n'est pas de construire "ce que l'on veut". Les scientifiques essaient plutôt de reproduire la biologie humaine aussi fidèlement que possible. Pour concrétiser cette vision, ils doivent d'abord obtenir un test de diagnostic, également appelé biopsie . Cela se fait par tomographie assistée par ordinateur (CT) et par imagerie par résonance magnétique (IRM). Les imprimantes 3D étant limitées à l'impression couche par couche, une reconstruction tomographique des images obtenues doit également être réalisée. Lorsque les images sont prêtes à être envoyées à l'imprimante, des cellules spécifiques sont isolées, multipliées et ensuite mélangées à un matériau spécial liquéfié qui fournit des nutriments vitaux (par exemple de l'oxygène) à ces cellules.
- Bioprinting - À l'étape suivante, le cocktail biologique qui a été mélangé est stocké dans une cartouche d'imprimante et déposé avec les scans médicaux du patient. Le prétissu obtenu par bioprinting est placé dans un incubateur et se transforme lentement en un tissu normal.
La bio-impression implique généralement l'utilisation d'échafaudages biocompatibles, conçus pour maintenir les différentes couches en place. Ces échafaudages sont d'une importance cruciale pour l'ingénierie tissulaire, car ils fournissent un environnement mécanique et chimique adéquat qui permet la croissance ultérieure de tissus entièrement fonctionnels.
Si la production de tissus et d'organes plus petits s'est avérée fructueuse, il manque certains éléments cruciaux aux organes plus grands, comme les foies et les poumons, fabriqués par bio-impression 3D. Cela est principalement dû aux limites des imprimantes 3D actuelles. Certaines fonctions vitales complexes, comme des vaisseaux sanguins fonctionnels, ne possèdent pas la stabilité ou la viabilité nécessaires pour être utilisées en médecine appliquée à l'heure actuelle.
- Post-bioprinting - Pour garantir une structure stable et fonctionnelle pour l'avenir, un processus de post-bioprinting bien entretenu est nécessaire. Les scientifiques appliquent une stimulation mécanique et chimique aux objets bio-imprimés. Ceux-ci envoient des signaux aux cellules, afin de contrôler le processus de croissance des tissus. Le type et la quantité de signaux envoyés dépendent de chaque tissu. Ces bioréacteurs peuvent transporter des nutriments supplémentaires, créer des environnements spécialisés, ajuster la pression de l'air et bien d'autres choses encore.
Impression 3D cryogénique
Prenons tout ce que nous avons appris jusqu'à présent et examinons ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas.
Ce qui marche :
- Imprimer des objets 3D à partir de matériaux de construction ordinaires
- Imprimer des objets en 3D à partir de matériaux biologiques
- Imprimer les tissus humains de base
- Imprimer de petits organes entièrement fonctionnels
Ce qui ne l'est pas :
- Imprimer de grands organes entièrement fonctionnels
- Garantie de stabilité lors de l'impression de structures complexes
- Garantir la fonctionnalité tout en imprimant des structures complexes
Au vu de cette liste de contrôle, nous avons déjà parcouru un bon bout de chemin. Pourtant, les dernières étapes s'avèrent être un grand obstacle à surmonter. Les technologies actuelles de bio-impression en 3D n'ont pas les fonctionnalités nécessaires pour garantir la stabilité des formations bio-imprimées complexes.
Mais attends, n'existe-t-il pas un domaine scientifique qui s'intéresse à la stabilité et à la préservation (ou plutôt à la cryopréservation) des structures ? Boris Rubinsky, chercheur et professeur à l'université de Berkeley, et Michal Adamkiewicz ont pensé exactement la même chose et ont commencé à faire des expériences. Leur résultat : L'impression 3D dite cryogénique.
Dans l'impression 3D cryogénique, le processus de bio-impression est mené avec l'objet imprimé en 3D constamment immergé dans un liquide de refroidissement (azote liquide). Ce liquide de refroidissement est réglé de manière à être toujours au niveau de la couche la plus élevée de l'impression, ce qui permet un processus de congélation très précis. Les températures pendant la procédure sont généralement comprises entre -20°C et -25°C. Le gaz CO2 est injecté rapidement dans la chambre, ce qui lui permet d'atteindre des taux de refroidissement élevés au début du processus. La réfrigération par compression de vapeur (VCR) assure ensuite l'élimination soutenue de la chaleur pendant le reste de la procédure.
Le résultat final est une structure bioprintée entièrement stabilisée (par la congélation) qui a beaucoup plus de chances de conserver une forme exploitable. Cette approche s'est avérée particulièrement efficace lorsqu'il s'agit de créer des échafaudages, démontrant ainsi le potentiel de la cryopréservation.
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On dirait que vous avez aimé cet article suffisamment pour aller jusqu'à la fin. Restez à l'affût des dernières nouvelles sur la cryogénisation et les sujets connexes.
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Conclusion
La science a encore besoin de temps pour résoudre tous les problèmes liés à la recréation des fonctions biologiques humaines. Néanmoins, nous faisons des progrès constants dans de nombreux domaines de recherche. Les scientifiques ont déjà réussi à transplanter une vessie entièrement fonctionnelle(il y a de nombreuses années) qui fonctionne encore aujourd'hui. Un jour, nous pourrons peut-être imprimer nous-mêmes de nouveaux poumons, un nouveau pancréas ou même un nouveau cœur en cas de besoin. La recherche en cryogénisation et en cryopréservation humaine pourrait nous aider à développer cette technologie et à atteindre cet objectif. À l'inverse, les avancées dans le domaine de la bio-impression pourraient permettre de traiter les organes des patients en biostase avant qu'ils ne soient réanimés à l'avenir.
Les deux domaines scientifiques espèrent se compléter grâce à ces avancées médicales. Si tu souhaites en savoir plus sur la biostase, n'hésite pas à nous appeler.
Source : M. Adamkiewicz, B. Rubinsky, Cryogenic 3D printing for tissue engineering, Cryobiology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.cryobiol.2015.10.152
