Les échafaudages créés par l’électro-écriture par fusion visent à soutenir la formation de nouveaux tissus

Les échafaudages créés par l'électro-écriture par fusion visent à soutenir la formation de nouveaux tissus

Gros plan d’un cylindre dans un système Melt Electrowriting montrant un échafaudage de valve cardiaque imprimé. Crédit : Andreas Heddergott / TUM

Des chercheurs ont développé des valves cardiaques artificielles imprimées en 3D conçues pour permettre aux propres cellules d’un patient de former de nouveaux tissus. Pour former ces échafaudages en utilisant l’électro-écriture par fusion, une technique de fabrication additive avancée, l’équipe a créé une nouvelle plate-forme de fabrication qui leur permet de combiner différents modèles précis et personnalisés et donc d’affiner les propriétés mécaniques de l’échafaudage. Leur objectif à long terme est de créer des implants pour les enfants qui se développent dans de nouveaux tissus et durent donc toute une vie.

Dans le corps humain, quatre valves cardiaques assurent que le sang circule dans la bonne direction. Il est essentiel que les valves cardiaques s’ouvrent et se ferment correctement. Pour remplir cette fonction, le tissu des valves cardiaques est hétérogène, ce qui signifie que les valves cardiaques présentent différentes propriétés biomécaniques au sein d’un même tissu.

Une équipe de chercheurs travaillant avec Petra Mela, professeur de matériaux médicaux et d’implants à l’Université technique de Munich (TUM), et le professeur Elena De-Juan Pardo de l’Université d’Australie occidentale, ont maintenant, pour la première fois, imité cet hétérogène structure à l’aide d’un processus d’impression 3D appelé électroécriture par fusion. Pour ce faire, ils ont développé une plate-forme qui facilite l’impression de motifs personnalisés précis et leur combinaison, ce qui leur a permis d’affiner différentes propriétés mécaniques au sein d’un même échafaudage.

L’électro-écriture par fusion permet la création d’échafaudages de fibres précis et personnalisés

L’électro-écriture par fusion est une technologie de fabrication additive relativement nouvelle qui utilise une haute tension pour créer des motifs précis de fibres polymères très fines. Un polymère est chauffé, fondu et expulsé d’une tête d’impression sous forme de jet liquide pour former les fibres.

Au cours de ce processus, un champ électrique à haute tension est appliqué, ce qui réduit considérablement le diamètre du jet de polymère en l’accélérant et en le tirant vers un collecteur. Il en résulte une fibre mince avec un diamètre typiquement dans la plage de cinq à cinquante micromètres. De plus, le champ électrique stabilise le jet de polymère, ce qui est important pour créer des motifs définis et précis.

L’« écriture » du jet de fibres selon des motifs prédéfinis est réalisée à l’aide d’un collecteur mobile commandé par ordinateur. Semblable au déplacement d’une tranche de pain sous une cuillère dégoulinant de miel, la plate-forme mobile recueille la fibre émergente le long d’un chemin défini. L’utilisateur spécifie ce chemin en programmant ses coordonnées.

Afin de réduire considérablement l’effort de programmation associé à la création de structures complexes pour les valves cardiaques, les chercheurs ont développé un logiciel permettant d’attribuer facilement différents modèles à différentes régions de l’échafaudage en choisissant parmi une bibliothèque de modèles disponibles. De plus, les spécifications géométriques telles que la longueur, le diamètre et l’épaisseur de l’échafaudage peuvent être facilement ajustées via l’interface graphique.

Les échafaudages créés par l'électro-écriture par fusion visent à soutenir la formation de nouveaux tissus

Un gros plan d’un échafaudage imprimé pour une valve cardiaque. Les différentes structures qui assurent la biomécanique appropriée sont bien visibles. Crédit : Université technique de Munich

Les échafaudages de valves cardiaques sont compatibles avec les cellules et biodégradables

L’équipe a utilisé du polycaprolactone (PCL) de qualité médicale pour l’impression 3D, qui est compatible avec les cellules et biodégradable. L’idée est qu’une fois les valves cardiaques PCL implantées, les propres cellules du patient se développeront sur l’échafaudage poreux, comme cela a été le cas dans les premières études de culture cellulaire. Les cellules pourraient alors potentiellement former de nouveaux tissus, avant que l’échafaudage PCL ne se dégrade.

L’échafaudage PCL est intégré dans un matériau de type élastine qui imite les propriétés de l’élastine naturelle présente dans les vraies valves cardiaques et fournit des micropores plus petits que les pores de la structure PCL. L’objectif est de laisser suffisamment d’espace pour que les cellules se déposent, mais de sceller les valves de manière adéquate pour le flux sanguin.

Les vannes conçues ont été testées à l’aide d’un système circulatoire à flux simulé simulant la pression artérielle et le débit physiologiques. Les valves cardiaques s’ouvraient et se fermaient correctement dans les conditions examinées.

Les nanoparticules permettent la visualisation par IRM

Le matériau PCL a été perfectionné et évalué avec Franz Schilling, professeur de résonance magnétique biomédicale, et Sonja Berensmeier, professeur d’ingénierie de bioséparation à la TUM. En modifiant le PCL avec des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques ultrapetites, les chercheurs ont pu visualiser les échafaudages à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Le matériau modifié reste imprimable et compatible avec les cellules. Cela pourrait faciliter la traduction de la technologie dans les cliniques, car les échafaudages peuvent ainsi être surveillés lors de l’implantation.

“Notre objectif est de concevoir des valves cardiaques bioinspirées qui favorisent la formation de nouveaux tissus fonctionnels chez les patients. Les enfants bénéficieraient particulièrement d’une telle solution, car les valves cardiaques actuelles ne grandissent pas avec le patient et doivent donc être remplacées au fil des ans dans de multiples Nos valves cardiaques, en revanche, imitent la complexité des valves cardiaques natives et sont conçues pour laisser les propres cellules du patient s’infiltrer dans l’échafaudage », explique Petra Mela.

La prochaine étape sur le chemin de la clinique sera des études précliniques sur des modèles animaux. L’équipe travaille également à l’amélioration de la technologie et au développement de nouveaux biomatériaux. Les résultats de leur étude actuelle sont publiés dans Matériaux fonctionnels avancés.


Bioingénierie des valves cardiaques vivantes


Plus d’information:
Navid Toosi Saidy et al, Échafaudages tubulaires spatialement hétérogènes pour l’ingénierie tissulaire des valves cardiaques in situ à l’aide de l’électroécriture par fusion, Matériaux fonctionnels avancés (2022). DOI : 10.1002 / adfm.202110716

Kilian MA Mueller et al, Visualisation d’échafaudages électroécrits par fusion marqués par l’USPIO par imagerie par résonance magnétique non invasive, Science des biomatériaux (2021). DOI : 10.1039 / D1BM00461A

Fourni par l’Université technique de Munich

Citation: Valvules cardiaques bioinspirées imprimées en 3D : les échafaudages créés par électroécriture par fusion visent à soutenir la formation de nouveaux tissus (2 juin 2022) récupéré le 2 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-3d-bioinspired-heart- vannes-échafaudages.html

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