221 - Récents avancements en bioimpression 3D pour l’ingénierie tissulaire et la médecine

Dans cette présentation, je vais aborder l'utilisation des mousses protéiques dans les applications de bioimpression, en mettant en évidence leur rôle à la fois comme bio-encre et comme bain de support dans l'impression intégrée. Les bio-encre et bains de support à base de mousse protéique offrent des avantages considérables, notamment une meilleure imprimabilité, une facilité de retrait du bain, ainsi qu'une meilleure oxygénation et livraison de nutriments aux cellules intégrées. Cette approche permet de créer des structures complexes et libres avec une haute viabilité cellulaire, ce qui la rend idéale pour des applications en génie tissulaire, en cicatrisation des plaies et en biofabrication. La polyvalence des mousses protéiques dans la bioimpression ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de modèles tissulaires fonctionnels de grande taille, avec de meilleures propriétés mécaniques et une stabilité prolongée.

Dans cette présentation, nous aborderons les efforts conjoints pour développer des méthodes de réparation des blessures de la cornée grâce à la délivrance in-situ de biomatériaux régénératifs. La cornée humaine est transparente, permettant à la lumière d'entrer dans l'œil. Les blessures chroniques entraînent un blanchiment du tissu, bloquant la vision. De nombreuses blessures ont des bords irréguliers, nécessitant un nettoyage chirurgical. Cependant, dans plusieurs contextes (régions sous-développées du Canada, pays en développement, camps de réfugiés), cette intervention n'est pas toujours possible.

Le laboratoire Griffith développe des biomatériaux injectables sans cellules capables de combler, sceller et favoriser la régénération in vivo, testés sur petits et grands animaux. Le laboratoire Boutopoulos conçoit des systèmes de délivrance, dont des bioprinters assistés par laser permettant la délivrance de gouttelettes nanolitriques, qui s'intercalent entre les couches de tissu pour réparer les blessures avec précision. L'incorporation de nanoparticules libérant des antibiotiques ou des peptides antimicrobiens peut améliorer la cicatrisation et prévenir l'aggravation des blessures.

Le mélanome uvéal (MU), la tumeur intraoculaire la plus fréquente chez l’adulte, est principalement traité par radiothérapie. Cependant, la radiosensibilité cellulaire variable engendre des hétérogénéités dans les résultats. Les radiobiologistes doivent considérer ces variations pour aider les physiciens médicaux à affiner le traitement. Dans cette étude, un hydrogel imprimé en 3D et enrichi en cellules a été conçu pour tester la radiosensibilité du MU à différentes radiations. 

L’hydrogel, composé de collagène-méthacrylate, d’alginate pré-réticulé et de Matrigel^®, a été réticulé avec du CaCl₂ et polymérisé sous UVA. La viabilité cellulaire des lignées Mel270, Mµ2, 92.1 et des fibroblastes stromaux choroïdiens (CSF) a été testée sur une période de 4 jours. Un modèle 3D a été fabriqué en imprimant un hydrogel avec des CSF sur un support hémisphérique poreux (fantôme de sclère) et en déposant un hydrogel avec des Mµ2 sur un support plat poreux (fantôme tumoral), puis en les assemblant. Le modèle a été exposé pendant 24h à une plaque de curiethérapie contenant des graines d’¹²⁵I (15 mCi).  

L’hydrogel a conservé son intégrité dans le milieu pendant 4 jours, et le modèle final pendant 2 jours, avec une viabilité cellulaire > 90 % dans toutes les conditions. L’irradiation a induit l’apoptose des cellules de MU sans affecter les cellules normales. Ce modèle est un outil radiobiologique prometteur pour tester la radiosensibilité du MU en 3D et optimiser les résultats thérapeutiques. 

La formation ophtalmique demande une haute précision, notamment pour les injections intraoculaires et les procédures guidées par ultrasons (US). Les modèles classiques souffrent de contraintes de disponibilité, reproductibilité et éthique. Cette étude propose une approche d’impression 3D pour créer des moules sur mesure, créant des fantômes oculaires (FO) réalistes pour la formation pratique.

La technique d’impression 3D par moulage a été choisi pour sa reproductibilité de structures anatomiques complexes. Les moules ont été imprimés en acide polylactide (PLA) pour produire des FO (24 mm de diamètre) avec des structures clés: la sclère, le nerf optique et la chambre vitrée. Une solution d’alginate (Alg.) à 5 % réticulée avec des ions calcium (Ca²⁺) a été utilisée pour simuler la sclère et le nerf optique, et une solution d’Alg. à 3 % a imité l’humeur aqueuse. Les modèles ont été testés pour leur intégrité structurelle, performances en imagerie et leur faisabilité pour l’entraînement aux injections.

Les moules en PLA garantissent une fabrication économique et reproductible des FO, avec une précision structurelle constante et des propriétés échogènes et IRM proches de l’œil humain. Cette étude montre l’impression 3D comme une méthode fiable et flexible pour produire des FO réalistes, optimisant la formation ophtalmique. De plus, ces fantômes peuvent être utilisés pour étudier la diffusion des nanoparticules dans l’œil, améliorant diagnostics et traitements.

 L’électronique souple est une alternative prometteuse aux systèmes rigides pour les interfaces bioélectroniques et tissulaires. Les hydrogels conducteurs se distinguent par leur biocompatibilité, leur flexibilité mécanique et leur similitude physicochimique avec les tissus biologiques. Toutefois, atteindre une haute sensibilité dans les capteurs à base d’hydrogel reste un défi. 

Nous supposons que le contrôle de la microstructure de l’hydrogel (micro- et macroscopique) améliore ses propriétés mécaniques et sa sensibilité par rapport aux fibres (~nm porosité). Dans cette étude, nous présentons des tubes d’hydrogel conducteurs et super macroporeux, fabriqués par impression 3D coaxiale. Le précurseur d’hydrogel conducteur poreux (alginate (ALG) et pyrrole (Py)), moussé mécaniquement (2000 tr/min, 120 s) avec un moussant (albumine), est extrudé sous forme de flux en gaine, tandis que le réticulant du coeur sacrificiel (CaCl₂ et persulfate d'ammonium) diffuse dans la gaine et initie la réticulation ionique de l’ALG ainsi que la polymérisation oxydative du PPy. La mousse sacrificielle s’effondre ensuite, laissant un noyau creux. 

Les résultats préliminaires montrent que les tubes poreux présentent une sensibilité (ΔR/R) 4× plus élevée et un allongement à la rupture accru de 54 % par rapport aux fibres. Ces tubes d’hydrogel conducteurs ouvrent de nouvelles perspectives pour les interfaces bioélectroniques et la biofabrication tissulaire. 

Les bio-encres jouent un rôle crucial dans l'avancement de la bio-impression 3D, une technologie clé en ingénierie tissulaire. Pour répondre aux besoins croissants de robustesse et de fidélité géométrique, de nouvelles formulations basées sur des réseaux interpénétrés de polymères (IPN) à base de gélatine méthacryloyle (GelMA) ont été développées. Ces bio-encres novatrices allient biocompatibilité et propriétés mécaniques renforcées, répondant ainsi aux contraintes d’imprimabilité sans bain de support. Cependant, des défis subsistent, notamment la solidification rapide et homogène des gels pendant l’impression. C’est dans ce contexte que ma recherche se concentre sur la conception d’un système innovant de photopolymérisation in situ. Intégré directement à l’aiguille d’un extrudeur, ce dispositif utilise la lumière visible pour solidifier les bio-encres IPN lors de leur extrusion. Cette approche vise à améliorer la qualité de l’impression, qu’il s’agisse de maintenir la stabilité des couches déposées ou d’assurer une polymérisation uniforme. En optimisant ces paramètres, ce système pourrait surmonter les limitations actuelles et contribuer à imprimer des structures complexes aux propriétés mécaniques et biologiques accrues. Ces travaux préliminaires jettent les bases pour le développement de technologies de bio-impression plus performantes, adaptées notamment à la régénération de tissus cartilagineux ou osseux.