Des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) ont développé une approche de réticulation modulée par congélation qui pourrait permettre la bioimpression 3D de tissus humains avec une viabilité clinique améliorée.

Contrairement aux tissus habituellement bio-imprimés, qui peuvent être trop mous pour supporter leur propre poids, la technologie de l’équipe voit les bio-encres congelées et réticulées, facilitant la création de structures cellulaires capables de conserver la forme souhaitée. À l’aide de ce processus de «cryoimpression 3D», les scientifiques pensent qu’il est possible de produire des échafaudages d’alginate robustes ensemencés avec des cellules, soit pour la culture en laboratoire, soit pour la régénération tissulaire.

L’installation Etcheverry Hall de l’UC Berkeley, qui abrite son département de génie mécanique. Photo via UC Berkeley.

Repenser le processus de « cryoimpression 3D »

Bien que la bio-impression 3D soit devenue un moyen populaire de s’engager dans la recherche cellulaire, la technologie reste difficile à utiliser avec des biomatériaux plus mous comme l’alginate de sodium. Malgré l’abordabilité relative et la forte biocompatibilité des glucides complexes à base d’algues, les délais de livraison sont toujours longs en raison de la réticulation nécessaire.

Afin de contourner les inconvénients de ces bio-encres, de nombreux chercheurs les impriment maintenant dans des structures couche par couche à l’aide de la cryoimpression 3D, un processus qui les voit rapidement refroidies et congelées en place lors du dépôt. Cependant, comme le souligne l’équipe californienne dans son article, l’approche de la technologie pour solidifier les matériaux les rend également difficiles à réticuler, et la décongélation peut entraîner leur effondrement.

Pour aggraver les choses, les scientifiques ajoutent que la cryoimpression 3D nécessite souvent l’utilisation d’une réticulation interne, qui ne permet d’extruder les bio-encres que pendant de courtes périodes avant qu’elles ne souffrent d’une viscosité élevée, et le processus de dégivrage réduit également la viabilité de l’échafaudage, en particulier dans applications d’ingénierie tissulaire.

La technique de « cryo-bioimpression » des chercheurs.
Une technique de cryoimpression alternative développée à la Harvard Medical School et à l’Université du Sichuan. Image via la Harvard Medical School/Université du Sichuan.

Perfectionner une alternative modulée par congélation

Dans leurs efforts pour trouver une alternative à la cryoimpression 3D conventionnelle, les scientifiques ont développé la réticulation modulée par congélation, un processus dans lequel les structures sont congelées puis décongelées dans un bain de calcium. En procédant ainsi à un rythme contrôlé, l’équipe affirme qu’il est possible de réticuler les tissus couche par couche, leur permettant ainsi de conserver une forme définie.

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Au cours des premières étapes de la R&D de leur technologie, les chercheurs ont commencé par utiliser un modèle mathématique pour identifier la température optimale à laquelle les matériaux doivent être congelés et décongelés. Une fois ces paramètres établis, l’équipe a exploité son processus pour produire une variété d’objets en alginate multicouches, qui pourraient être réfrigérés ou conservés congelés pour une expérimentation cellulaire ultérieure.

Les premiers résultats ont montré que la quantité de calcium dans laquelle baignaient les matériaux n’avait aucun impact sur leur retrait, et l’abaissement de la température du processus n’a pas non plus apporté d’avantages en termes de précision. Cela dit, lorsqu’il s’agissait de décongeler les échafaudages, les faire fondre à un rythme plus élevé les faisait rétrécir, les tissus réticulés à 20 ° C devenant plus petits que ceux réticulés à -0,05 ° C.

Après avoir identifié la réticulation à une température d’objet de -80 °C et à une température de bain de -0,05 °C, comme paramètres idéaux pour leur procédé, les chercheurs affirment qu’elle pourrait désormais élargir les applications de la cryoimpression 3D. Cependant, l’équipe admet également que des recherches supplémentaires sont nécessaires sur la manière dont leur approche affecte la viabilité cellulaire, ce qui sera essentiel à son déploiement dans la R&D sur les tissus régénératifs.

Un schéma de la structure muscle-tendon bio-imprimée en 3D de l'équipe.
Un schéma d’une structure muscle-tendon cryo-imprimée en 3D créée en février 2022. Image via Harvard Medical School/Université du Sichuan.

Gel dans le développement de la bioimpression 3D

Comme c’est le cas avec la bio-impression 3D traditionnelle, la cryo-impression continue de faire l’objet d’intenses recherches en laboratoire, des scientifiques du monde entier cherchant à perfectionner et à expérimenter cette technologie. Plus tôt cette année, une équipe de la Harvard Medical School et de l’Université du Sichuan a développé un nouveau moyen d’imprimer en 3D des tissus autoportants à cellules mixtes, y compris des muscles-tendons humains vivants.

En 2018, des chercheurs de l’Imperial College de Londres ont également développé une méthode similaire, qui impliquait l’utilisation de la cryogénie pour imprimer en 3D des tissus mous, capables de tromper les poumons et le cerveau humains en leur faisant croire qu’ils sont authentiques. À l’époque, l’ensemencement de cellules fibroblastiques dermiques vivantes sur des échafaudages imprimés en 3D était considéré comme une avancée importante qui montrait le potentiel des encres cryo-imprimées.

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Ailleurs, d’autres développements de la bioimpression 3D ont vu la technologie progresser au point qu’elle peut être utilisée pour produire des structures cellulaires très complexes. À la fin de l’année dernière, par exemple, des scientifiques de l’Université de Montréal, de l’Université Concordia et de l’Université fédérale de Santa Catarina ont pu bioimprimer en 3D des cellules cérébrales de souris.

Les découvertes des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé « Freezing-modulated-crosslinking : une approche de réticulation pour la cryoimpression 3D», qui a été co-écrit par Linnea Warburton et Boris Rubinsky.

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L’image en vedette montre l’installation Etcheverry Hall de l’UC Berkeley, qui abrite son département de génie mécanique. Photo via UC Berkeley.