Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) et de l’Université d’Australie occidentale développent des valves cardiaques artificielles imprimées en 3D fabriquées à partir des propres cellules d’un patient qui se développent à mesure que l’individu vieillit.
L’approche espère surmonter les inconvénients des prothèses valvulaires cardiaques conventionnelles, qui ne durent qu’un nombre limité d’années et nécessitent donc de multiples chirurgies de remplacement.
Dirigée par le professeur Petra Mela de TUM et Elena De-Juan-Pardo de l’Université d’Australie-Occidentale, l’équipe a tiré parti d’un processus d’impression 3D par électroécriture par fusion pour créer des échafaudages poreux constitués des propres cellules d’un patient qui peuvent se développer au fur et à mesure que le patient le fait.
Impression 3D par électro-écriture fondue
L’électroécriture par fusion est une technologie de fabrication additive avancée capable de déposer des fibres micrométriques prédéfinies et fonctionne en combinant un champ électrique, une température et une pression appliqués pour créer un jet chargé de polymère fondu.
Les chercheurs ont utilisé la technique pour déposer des microfibres de moins d’un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain avec une extrême précision dans un motif prédéfini, donnant aux échafaudages fibreux résultants des caractéristiques « excellentes ».
L’électrofilage par fusion offre des avantages significatifs par rapport à d’autres techniques de formation de fibres telles que l’électrofilage conventionnel, car il permet la fabrication d’échafaudages avec des propriétés mécaniques, des macro-porosités et des modèles accordables pour un large éventail d’applications, y compris l’ingénierie tissulaire implantaire et la modélisation des maladies.
La technique a déjà été déployée dans un contexte biomédical, ayant été utilisée par le MIT pour cultiver des cultures cellulaires hautement uniformes avec des caractéristiques particulières et par le Centre médical universitaire (UMC) d’Utrecht pour produire des tissus bio-imprimés en 3D qui peuvent être implantés dans une articulation vivante affectée par arthrite.
L’électroécriture par fusion alimente également une imprimante 3D avec «yeux et cerveaux» développée par l’Université de technologie du Queensland, qui intègre l’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage automatique (ML) pour fabriquer des implants médicaux personnalisés.
Impression 3D de valves cardiaques artificielles
Selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS), les maladies cardiovasculaires sont la principale cause de décès dans le monde, les cardiopathies valvulaires étant le troisième contributeur aux troubles cardiovasculaires dans le monde.
Actuellement, si les valves cardiaques endommagées ne peuvent pas être réparées, les traitements actuels consistent à implanter une prothèse valvulaire qui devrait idéalement rester dans le patient pendant toute sa vie. Cependant, ces valves ont une durée de vie limitée et les patients doivent donc subir de multiples interventions chirurgicales pour les remplacer. Ce problème est particulièrement répandu chez les jeunes patients pédiatriques, car ils ont besoin de nouvelles valves à mesure que leur corps grandit.
L’approche régénérative de l’équipe de recherche en matière d’ingénierie tissulaire des valves cardiaques visait à surmonter les limites des prothèses valvulaires mécaniques et biologiques actuelles en fabriquant une valve capable de se développer et de se remodeler avec le patient. Pour y parvenir, ils devaient imprimer les échafaudages avec une porosité adéquate pour permettre aux cellules de s’infiltrer dans la structure et de prospérer.
L’équipe a utilisé une imprimante 3D interne à électro-écriture fondue pour créer des implants de valve cardiaque qui imitaient les différentes structures tissulaires de la propre valve cardiaque aortique d’un patient. La plate-forme numérique de l’équipe a imprimé en 3D des motifs complexes qui ont ensuite été composés avec des échafaudages tubulaires en hydrogel microporeux.
La structure imprimée résultante était capable de résister aux fonctions exigeantes d’une valve cardiaque tout en restant suffisamment poreuse pour permettre aux propres cellules du patient de coloniser l’échafaudage et de proliférer. L’équipe a testé les capacités de leur valve cardiaque artificielle en créant un faux système circulatoire et en le soumettant à la même pression et aux mêmes débits qu’une valve cardiaque naturelle supporterait.
Selon l’équipe, les résultats de la phase de test étaient prometteurs, la vanne répondant aux normes ISO. Bien que les résultats soient encourageants, l’équipe reconnaît que les tests ne sont pas prédictifs de la fonctionnalité à long terme de la valve, pour laquelle des études in vivo seront menées pour évaluer le processus de remodelage de l’échafaudage et le taux de dégradation, entre autres facteurs.
Pour l’instant, les chercheurs considèrent leurs valves cardiaques imprimées en 3D comme une «preuve de concept pionnière» pour une construction de valve cardiaque complète prête à l’emploi qui pourrait ouvrir la voie à d’autres applications d’ingénierie des tissus mous.
De plus amples informations sur l’étude peuvent être trouvées dans le document intitulé: « Échafaudages tubulaires spatialement hétérogènes pour l’ingénierie tissulaire de valves cardiaques in situ utilisant l’électro-écriture par fusion », publié dans la revue Advanced Functional Materials. L’étude est co-écrite par N. Saidy, A. Fernandez-Colino, B. Heidari, R. Kent, M. Vernon, O. Bas, S. Mulderrig, A. Lubig, J. Rodriguez-Cabello, B. Doyle , D. Hutmacher, E. De-Juan-Pardo et P. Mela.
Au fur et à mesure que les capacités de la bio-impression se sont améliorées, la fabrication additive a été exploitée pour des applications similaires de médecine régénérative liée au cœur dans le passé.
En 2020, des chercheurs de l’Université du Minnesota ont travaillé avec la société de technologie médicale Medtronic pour développer des modèles de valves cardiaques personnalisés imprimés en 3D personnalisables. Les modèles ont été conçus pour aider les chirurgiens à mieux se préparer aux interventions chirurgicales mini-invasives afin d’améliorer les résultats pour les patients cardiovasculaires.
À peu près à la même époque, des chercheurs de l’Université Carnegie Mellon ont développé leur propre méthode de bioimpression 3D pour produire des modèles de cœur humain grandeur nature pour la formation chirurgicale et les applications de planification.
Plus récemment, des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences ont imprimé en 3D un cœur battant qui est resté vivant pendant six mois à l’aide d’un bras robotique à six axes converti en bio-imprimante 3D. Selon l’équipe, le tissu cardiaque imprimé en 3D pourrait démontrer une méthode réalisable de bio-impression de tissus et d’organes fonctionnels à l’avenir.
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L’image en vedette montre fabriquer les valves cardiaques imprimées en 3D. Image via des matériaux fonctionnels avancés.
Olive Angelini a couvert l’informatique, la CAO et le BIM pour les magazines Building Design + Construction, Structural Engineer et CE News. Il a remporté six prix de l’American Society of Business Publications Editors et a fait partie de l’équipe de reportage du prix Jesse H. Neal 2012 pour la meilleure série d’histoires liées à un sujet.