Des chercheurs de l’Université Cornell ont mis au point un nouveau biomatériau qui peut être utilisé pour créer une peau artificielle capable d’imiter le comportement des tissus humains naturels.

Grâce à sa composition unique, composée de collagène mélangé à un hydrogel « zwitterionique », le composite biohybride de l’équipe serait doux et biocompatible, mais suffisamment flexible pour résister à une déformation continue. Bien que le projet de R&D des scientifiques soit toujours en cours, ils affirment que leur bio-encre pourrait un jour être utilisée comme base pour imprimer en 3D des échafaudages à partir de cellules de patients, qui cicatrisent efficacement les plaies in situ.

« En fin de compte, nous voulons créer quelque chose à des fins de médecine régénérative, comme un morceau d’échafaudage qui peut supporter certaines charges initiales jusqu’à ce que le tissu se régénère complètement », a déclaré Nikolaos Bouklas, l’un des co-auteurs principaux de l’étude. « Avec ce matériau, vous pouvez imprimer en 3D un échafaudage poreux avec des cellules qui pourraient éventuellement créer le tissu réel autour de l’échafaudage. »

Une image micrographique du composite biohybride de l’équipe, avec des cellules (rouges) ensemencées sur les domaines fibreux (jaunes) du collagène. Image via l’Université Cornell.

Allier le naturel et le synthétique

Compte tenu de la nature constamment en mouvement du corps humain, nos tissus doivent être à la fois suffisamment souples pour se plier sur commande, tout en étant suffisamment robustes pour résister à une charge constante. Lorsque ces cellules s’usent ou sont endommagées, l’équipe de Cornell affirme que les hydrogels et les matériaux synthétiques pourraient servir de remplacement, mais aucun n’a le bon mélange de qualités biologiques et mécaniques pour le faire.

En particulier, les scientifiques suggèrent que les plastiques synthétiques n’ont souvent pas la capacité de soutenir et de maintenir les cellules vivantes, parallèlement à l’organisation microstructurale qui les rend fonctionnels. Quant aux polymères naturels comme le collagène, la fibrine ou l’acide hyaluronique, les chercheurs affirment qu’ils sont capables de reproduire la biocompatibilité des tissus vivants, mais qu’ils ont tendance à être plus fragiles.

Afin de fabriquer une bio-encre avec la flexibilité et la convivialité cellulaire nécessaires pour permettre la production d’une peau artificielle réaliste, l’équipe s’est donc tournée vers «l’hydrogel zwitterionique». Plus précisément, les scientifiques ont découvert que le mélange de collagène avec le matériau, qui contient à la fois des groupes moléculaires chargés positivement et négativement, pourrait lui permettre de résister à de multiples impacts tout en soutenant la croissance cellulaire.

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« Ces groupes chargés interagissent avec les groupes chargés négativement et positivement dans le collagène », explique l’un des autres co-auteurs principaux de l’étude, Lawrence Bonassar. « Cette interaction est ce qui permet aux matériaux de dissiper l’énergie et d’atteindre des niveaux élevés de ténacité. »

Lawrence Bonassar, professeur à l'Université Cornell.  Photo via l'Université Cornell.
Lawrence Bonassar, professeur à l’Université Cornell. Photo via l’Université Cornell.

Une base pour une peau artificielle plus réaliste ?

Fait intéressant, dans leur article, les chercheurs affirment que la formulation de leur composite biohybride ne nécessitait qu’un « simple mélange », car leur collagène s’est auto-assemblé en un réseau fibrillaire, qui à son tour est devenu ioniquement lié à son hydrogel environnant. Selon Bouklas, cela a donné « le même réseau interconnecté de collagène que celui observé dans le cartilage naturel, qui autrement serait extrêmement difficile à produire ».

Une fois leur matériau créé, l’équipe l’a soumis à des tests en laboratoire, qui ont montré que par rapport à une matrice zwitterionique non traitée, l’ajout de collagène avait augmenté son module d’élasticité de 40 %. L’intégration de collagène à l’hydrogel a également permis au matériau d’absorber onze fois plus d’énergie avant de se fissurer, tout en lui conférant des propriétés proches de celles de tissus comme le cartilage articulaire.

Ailleurs, sur le front de la biocompatibilité, les scientifiques ont découvert que leur polymère chargé de collagène était plus de 100 fois plus capable de soutenir la croissance cellulaire, et il a démontré une viabilité cellulaire de plus de 90 %. À l’avenir, les chercheurs disent qu’ils ont l’intention de continuer à travailler sur le processus de biosynthèse derrière leur matériau, et ils ont maintenant commencé à tester sa viabilité pour l’impression 3D de tissus.

HK inno.N s'est associé à T&R Biofab pour utiliser sa technologie de bioimpression 3D pour fabriquer de la peau humaine.  Image via T&R Biofab.
Dans le passé, HK inno.N s’est également associé à T&R Biofab pour bioimprimer la peau humaine en 3D. Image via T&R Biofab.

Le potentiel de production de tissus de la bio-impression

Bien que les tissus humains imprimés en 3D restent généralement au stade des tests en laboratoire, la technologie sous-jacente a fait des pas de géant au cours des deux dernières années seulement. En janvier 2022, des chercheurs de l’Université de Birmingham et de l’Université de Huddersfield ont révélé qu’ils avaient développé un moyen de traiter les plaies profondes avec de la peau bio-imprimée.

De même, à la fin de l’année dernière, le consortium NOVOPLASM a annoncé la création du « premier modèle au monde » de peau immunisée imprimée en 3D. Développé à l’aide de la technologie du plasma froid, le modèle pourrait être utilisé à l’avenir pour soigner des affections telles que des brûlures infectées et des greffes de peau irritées.

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Loin des applications de cicatrisation, l’impression 3D a également été utilisée pour permettre la création de tissus pour la R&D de produits de soin de la peau. HK inno.N et T&R Biofab, par exemple, se sont associés dans le but de développer des tissus bio-imprimés en 3D pour des applications de test de médicaments, qui pourraient servir d’alternative aux tests sur les animaux.

Les découvertes des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé « Synthèse simple de composites biohybrides souples, résistants et cytocompatibles», qui a été co-écrit par Cameron Darkes-Burkey, Xiao Liu, Leigh Slyker, Jason Mulderrig, Wenyang Pan, Emmanuel P. Giannelis, Robert F. Shepherd, Lawrence J. Bonassar et Nikolaos Bouklas.

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L’image en vedette montre une image micrographique du composite biohybride de l’équipe. Image via l’Université Cornell.