Article de Rheolution
Méthodes d'impression 3D de matrices à base d'alginate
par le Dr Dimitria Bonizol Camasao,
spécialiste senior des applications, Rheolution Inc.
Au cours du premier mois de 2022, nous nous sommes intéressés aux hydrogels d’alginate utilisés dans l’ingénierie tissulaire et les applications d’administration de médicaments. Comme nous l’avons évoqué dans le Première publication sur ce sujet, l’alginate est couramment utilisé comme bio-encre dans la bio-impression 3D pour produire des structures 3D (matrices) contenant des cellules ou des molécules bioactives, selon l’application. Une caractéristique particulière des solutions d’alginate réside dans leur capacité à se réticuler rapidement (c’est-à-dire à lier leurs molécules entre elles) en présence d’ions (par exemple, Ca²⁺), ce qui donne naissance à un hydrogel cohésif pouvant être préparé sous différentes formes. De plus, leurs propriétés mécaniques finales peuvent être ajustées (au moins dans une certaine mesure) en modifiant les composants utilisés lors de leur préparation.
Dans la deuxième publication En janvier 2022, des hydrogels d’alginate ont été réticulés à l’aide d’une solution de CaCl₂ à différentes concentrations et selon des durées croissantes. Il est essentiel de comprendre le comportement d’une formulation spécifique au cours de la réticulation, notamment le temps d’initiation et la vitesse de gélification, ainsi que le gonflement et le rétrécissement potentiels liés à ce processus de gélification, afin de mieux concevoir les expériences, en particulier dans le domaine de l’impression 3D.
En ce qui concerne la technique d’impression 3D par extrusion, de nombreuses méthodes ont été mises au point pour imprimer des structures 3D à base d’alginate. La solution d’alginate présente une viscosité relativement faible et, pour pouvoir l’imprimer à l’état pur puis la réticuler, une optimisation minutieuse du protocole s’impose. Par exemple, les fabricants de bio-encres disposent de protocoles détaillés, élaborés pour imprimer leurs bio-encres à une concentration spécifique, dans la plage qu’ils recommandent en termes de vitesse d’impression, de pression d’extrusion, de taille de buse et de température, entre autres. L’alginate utilisé dans l’une de nos notes d’application publiées en est un exemple. . Cellink a élaboré un rapport détaillé protocole permettant d’imprimer leur bio-encre dans leurs imprimantes 3D à extrusion.
Lorsqu’il n’existe pas de protocole facilement accessible pour l’impression d’une solution d’alginate pure ou que celui-ci est difficile à obtenir, différentes méthodes ont également été mises au point pour pallier sa faible viscosité. Parmi les méthodes rapportées, on peut citer (section A de la figure 1) la réticulation préalable de la solution d’alginate dans le corps de la seringue avec une solution de CaCl₂ pendant une durée pouvant aller jusqu’à 30 minutes avant l’impression [1,2], (section B de la figure 1) l’utilisation d’une aiguille coaxiale contenant respectivement de l’alginate et une solution de CaCl₂ dans l’enveloppe et le cœur, pour une réticulation rapide dès leur sortie de l’aiguille pendant le processus d’impression [3], et, ce qui est très courant, (section C de la figure 1) le mélange avec d’autres biomatériaux tels que la gélatine, l’agar, le PEG, entre autres, afin d’améliorer l’imprimabilité immédiate [4].
Par ailleurs, une méthode d’impression relativement récente, recommandée pour améliorer la fidélité d’impression des biomatériaux souples et connue sous le nom de « Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels » (FRESH), peut également être utilisée pour imprimer des structures en alginate pur [5]. Dans cette technique (section D de la figure 1), la bio-encre est extrudée dans un bain de support composé d’un hydrogel sacrificiel qui maintient la bio-encre en place jusqu’à ce qu’elle se gélifie. Dans le cas de l’alginate, le bain de support doit également contenir du chlorure de calcium afin de déclencher la réticulation. Dans l’ensemble, l’impression FRESH offre une combinaison inégalée de capacités en termes de bio-encres, de résolution, de taille et de complexité géométrique 3D pouvant être utilisées et/ou obtenues.
Par ailleurs, une méthode d’impression relativement récente, recommandée pour améliorer la fidélité d’impression des biomatériaux souples et connue sous le nom de « Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels » (FRESH), peut également être utilisée pour imprimer des structures en alginate pur [5]. Dans cette technique (section D de la figure 1), la bio-encre est extrudée dans un bain de support composé d’un hydrogel sacrificiel qui maintient la bio-encre en place jusqu’à ce qu’elle se gélifie. Dans le cas de l’alginate, le bain de support doit également contenir du chlorure de calcium afin de déclencher la réticulation. Dans l’ensemble, l’impression FRESH offre une combinaison inégalée de capacités en termes de bio-encres, de résolution, de taille et de complexité géométrique 3D pouvant être utilisées et/ou obtenues.
Qu’il soit pur ou mélangé à d’autres biomatériaux, l’alginate confère à la matrice une biocompatibilité inhérente, un coût relativement faible, une faible toxicité, ainsi qu’une gélification douce et modulable par l’ajout de cations divalents, qui constituent des facteurs importants pour l’encapsulation de cellules ou de molécules bioactives.
ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio
Références
[1] Freeman, F. E., & Kelly, D. J. (2017). Réglage de la rigidité et de la composition de l’encre biologique à base d’alginate pour un apport contrôlé de facteurs de croissance et pour orienter spatialement le destin des cellules souches mésenchymateuses (CSM) au sein de tissus bio-imprimés. Scientific Reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M. et Kelly, D. J. (2016). Comparaison de différentes bio-encres pour la bio-impression 3D de fibrocartilage et de cartilage hyalin. Biofabrication, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H., & Ozbolat, I. T. (2013). Caractérisation de canaux microfluidiques cellulaires imprimables destinés à l’ingénierie tissulaire. Biofabrication, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E. et Hussain, C. M. (2021). État des lieux de la technologie d’impression 3D des hydrogels à base d’alginate — Une technique émergente pour des applications industrielles. Advances in Colloid and Interface Science, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W. et Feinberg, A. W. (2021). L’émergence de l’impression 3D FRESH en tant que plateforme pour la biofabrication tissulaire de pointe. APL Bioengineering, 5(1), 010904.
Articles connexes
Avez-vous déjà rêvé de caissons de soins dignes d’un film de science-fiction ? Le principe de flottabilité neutre qui les sous-tend a donné naissance à une solution unique pour l’impression 3D avec des encres souples, semblables à des liquides. La technique de bio-impression FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) a été mise au point pour permettre l’impression de ces matériaux délicats, idéaux pour les applications d’ingénierie tissulaire. Le secret réside dans un bain de support ingénieusement conçu, capable de maintenir les structures souples tout en permettant le mouvement de l’aiguille de l’extrudeuse. Grâce à sa polyvalence, à la viabilité cellulaire élevée qu’elle garantit et à son potentiel pour l’impression de structures de grande taille, la technique FRESH ouvre un monde de possibilités, nous rapprochant un peu plus de la bio-impression 3D de tissus spécifiques à chaque patient, à partir de données anatomiques.