Qu'est-ce que la bio-impression FRESH et comment fonctionne-t-elle ?

Avez-vous déjà rêvé de cette idée digne de la science-fiction : soigner les blessures d’un patient dans une cuve de rajeunissement flottante ? Le phénomène qui permet cette suspension, la flottabilité neutre, semble avoir inspiré les chercheurs à trouver une solution pour l’impression 3D de matériaux à l’aide d’encres souples et de consistance liquide, qui auraient beaucoup de mal à conserver leur fidélité d’impression dans l’air, la force de gravité les faisant s’affaisser. Bien que les fluides de support à base d’eau (tels que ceux utilisés dans les caissons de flottaison) ne puissent en aucun cas être utilisés avec les hydrogels à base d’eau largement employés dans les applications d’ingénierie tissulaire, cette idée d’impression 3D dans un bain de support a évolué afin de minimiser les effets de la gravité en utilisant des matériaux de type gel capables de présenter de manière réversible des comportements à la fois solides et liquides, permettant ainsi le dépôt d’hydrogel à l’intérieur de celui-ci.

En ce mois de novembre, nous avons exploré la bio-impression dite « Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels » (FRESH), une approche de bio-impression par intégration spécialement optimisée pour permettre l’impression d’encres biologiques souples et de faible viscosité, de type liquide, largement utilisées dans les applications d’ingénierie tissulaire. D’une manière générale, on peut considérer la bio-impression 3D par intégration comme une chambre de fabrication remplie d’un matériau de support, au sein de laquelle des biomatériaux et des cellules sont déposés dans l’espace 3D à l’aide d’une extrudeuse à seringue. La méthode FRESH permet ainsi l’impression d’hydrogels biologiques non modifiés, tels que le collagène de type I et la matrice extracellulaire (MEC) décellularisée, à l’aide de bio-encres à haute densité de cellules, en vue de la fabrication de tissus fonctionnels issus de l’ingénierie tissulaire.

Le principal défi technique de cette approche consiste à mettre au point un matériau de bain de support capable de maintenir les structures imprimées souples au fur et à mesure de leur extrusion et de leur durcissement, tout en permettant à l’aiguille de l’extrudeuse de se déplacer facilement à travers le bain de support pendant l’impression. Plus précisément, l’exigence rhéologique relative au matériau du bain de support est qu’il doit se comporter comme un solide en dessous d’un seuil de contrainte de cisaillement appliquée, c’est-à-dire la contrainte d’écoulement, à partir de laquelle il passe d’un comportement solide à un comportement de type liquide. Autour de l’aiguille, le comportement de type liquide du bain de support (contrainte de cisaillement appliquée supérieure à la contrainte d’écoulement) permet à l’aiguille de se déplacer facilement. Dès que l’aiguille s’éloigne, le bain de support se solidifie à nouveau (contrainte de cisaillement appliquée inférieure à la contrainte d’écoulement). La contrainte de fluage optimale du bain de support dépend des matériaux imprimés, du diamètre et de la longueur de l’aiguille, ainsi que des paramètres du procédé tels que la vitesse d’impression [1].

La méthode d’impression FRESH présente plusieurs avantages remarquables. Tout d’abord, sa polyvalence. Bien que la méthode FRESH ait été initialement décrite en utilisant un bain de support à base de gélatine [2], le développement de différents bains a permis l’impression de matériaux souples grâce à un large éventail de mécanismes de gélification (figure 1). De plus, comme les agents de réticulation sont mélangés dans le bain, le filament d’encre biologique extrudé est immédiatement exposé au liquide de tous les côtés, ce qui déclenche rapidement un processus de gélification simultané. Cela contraste avec l’impression à l’air libre, où les moyens de déclencher la gélification sont limités. Deuxièmement, le bain de support offre un environnement qui empêche la mort cellulaire et maintient une viabilité cellulaire élevée tout au long du processus d’impression. Outre le contrôle de la température, la partie aqueuse du bain de support peut être composée de milieux de culture cellulaire, de facteurs de croissance ou de toute autre biomolécule destinée à protéger la survie des cellules. En conséquence, le troisième avantage majeur de cette technique réside dans la taille des structures pouvant être imprimées. À ce jour, la plupart des structures tissulaires bio-imprimées en 3D sont relativement petites par rapport aux tissus ou organes qu’elles sont censées remplacer. La technique FRESH a déjà été utilisée pour créer un modèle physique du cœur humain à l’échelle néonatale à partir de collagène de type I, sur la base de données d’imagerie IRM [3]. Et les chercheurs affirment que cette technique a le potentiel de devenir une technologie de fabrication additive évolutive, capable de produire des tissus à taille réelle à partir de données anatomiques spécifiques au patient.