Un système d’impression 3D qui contrôle le comportement des bactéries vivantes pourrait un jour permettre de fabriquer des dispositifs médicaux avec des agents thérapeutiques intégrés.

Une méthode d’impression d’objets en 3D qui peut contrôler les organismes vivants de manière prévisible a été mise au point par une équipe interdisciplinaire de chercheurs du MIT et d’ailleurs. Cette technique pourrait conduire à l’impression en 3D d’outils biomédicaux, tels que des appareils orthodontiques personnalisés, qui incorporent des cellules vivantes pour produire des calculs thérapeutiques tels que des analgésiques ou des traitements topiques, affirment les chercheurs.

Ce nouveau développement a été mené par le professeur associé du Media Lab du MIT, Neri Oxman, et les étudiants diplômés Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader et Sunanda Sharma, ainsi que six autres personnes au MIT et à l’Institut Wyss et à l’Institut du cancer Dana-Farber de l’Université de Harvard. Le système est décrit dans un article récemment publié dans la revue Advanced Functional Materials.

« Nous les appelons des matériaux vivants hybrides, ou HLM (Hybrid Living Materials) », explique Rachel Soo Hoo Smith. Pour ses premières expériences de validation du concept, l’équipe a précisément incorporé divers produits chimiques dans le processus d’impression en 3D. Ces produits chimiques agissent comme des signaux pour activer certaines réponses dans des microbes biologiquement conçus, qui sont vaporisés sur l’objet imprimé. Une fois ajoutés, les microbes affichent des couleurs ou une fluorescence spécifiques en réponse aux signaux chimiques.

Dans son étude, l’équipe décrit l’apparition de ces motifs colorés dans une variété d’objets imprimés, ce qui, selon elle, démontre l’incorporation réussie des cellules vivantes dans la surface du matériau imprimé en 3D, et l’activation des cellules en réponse aux produits chimiques placés de manière sélective.

L’objectif est de créer un outil de conception robuste pour la production d’objets et de dispositifs incorporant des éléments biologiques vivants, fabriqués de manière aussi prévisible et évolutive que les autres procédés de fabrication industrielle.

L’équipe utilise un processus en plusieurs étapes pour produire ses matériaux vivants hybrides. Tout d’abord, ils utilisent une imprimante 3D à jet d’encre multimatériaux disponible dans le commerce, ainsi que des recettes personnalisées pour les combinaisons de résines et de signaux chimiques utilisées pour l’impression.

Par exemple, ils ont découvert qu’un type de résine, normalement utilisé uniquement pour produire un support temporaire pour les parties en surplomb d’une structure imprimée, puis dissous après l’impression, pouvait produire des résultats utiles en étant mélangé au matériau de résine structurelle. Les parties de la structure qui incorporent ce matériau de support deviennent absorbantes et sont capables de retenir les signaux chimiques qui contrôlent le comportement des organismes vivants.

Enfin, la couche vivante est ajoutée : un revêtement de surface d’hydrogel – un matériau gélatineux composé principalement d’eau mais fournissant une structure en treillis stable et durable – est infusé avec des bactéries biologiquement modifiées et vaporisé sur l’objet.

« Nous pouvons définir des formes et des distributions très spécifiques des matériaux vivants hybrides et des produits biosynthétisés, qu’il s’agisse de couleurs ou d’agents thérapeutiques, dans les formes imprimées », explique Rachel Soo Hoo Smith. Certaines de ces formes d’essai initiales ont été réalisées sous forme de disques de la taille d’un dollar d’argent, et d’autres sous forme de masques colorés, avec les couleurs fournies par les bactéries vivantes dans leur structure. Les couleurs prennent plusieurs heures à se développer au fur et à mesure que les bactéries se développent, puis restent stables une fois en place.

« Cette approche a des applications pratiques passionnantes, car les concepteurs sont désormais capables de contrôler et de modéliser la croissance des systèmes vivants grâce à un algorithme de calcul », explique Neri Oxman. En combinant la conception informatique, la fabrication additive et la biologie synthétique, la plateforme HLM montre l’impact considérable que ces technologies peuvent avoir dans des domaines apparemment disparates, en « animant » la conception et l’espace de l’objet ».

La plate-forme d’impression utilisée par l’équipe permet de faire varier précisément et en continu les propriétés matérielles de l’objet imprimé entre les différentes parties de la structure, certaines sections étant plus rigides et d’autres plus souples, et certaines plus absorbantes et d’autres repoussant les liquides. De telles variations pourraient être utiles dans la conception de dispositifs biomédicaux qui peuvent apporter force et soutien tout en étant souples et flexibles pour assurer le confort dans les endroits où ils sont en contact avec le corps.

L’équipe comprenait des spécialistes en biologie, en bio-ingénierie et en informatique pour mettre au point un système qui permet de prédire le comportement biologique de l’objet imprimé, malgré les effets de facteurs tels que la diffusion de produits chimiques à travers le matériau. Grâce à la modélisation informatique de ces effets, les chercheurs ont produit un logiciel qui, selon eux, offre des niveaux de précision comparables aux systèmes de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisés pour les systèmes d’impression 3D traditionnels.

La plateforme d’impression 3D multi-résine peut utiliser de trois à sept résines différentes aux propriétés différentes, mélangées dans n’importe quelle proportion. En combinaison avec le génie biologique synthétique, cela permet de concevoir des objets dont les surfaces biologiques peuvent être programmées pour répondre de manière spécifique à des stimuli particuliers tels que la lumière ou la température ou des signaux chimiques, de manière reproductible mais totalement personnalisable, et qui peuvent être produits à la demande, affirment les chercheurs.

« À l’avenir, les pigments inclus dans les masques pourront être remplacés par des substances chimiques utiles pour l’augmentation humaine, telles que des vitamines, des anticorps ou des médicaments antimicrobiens », souligne explique Neri Oxman. « Imaginez, par exemple, une interface portable conçue pour guider la formation d’antibiotiques ad hoc, adaptée à la constitution génétique de son utilisateur. Ou encore, envisagez un emballage intelligent capable de détecter la contamination, ou des peaux architecturales sensibles à l’environnement qui peuvent réagir et s’adapter – en temps réel – aux signaux environnementaux ».

Dans leurs tests, l’équipe a utilisé des bactéries E. coli génétiquement modifiées, car celles-ci se développent rapidement et sont largement utilisées et étudiées, mais en principe d’autres organismes pourraient également être utilisés, selon les chercheurs.

L’équipe comprenait Dominik Kolb, Tzu-Chieh Tang, Christopher Voigt et Felix Moser au MIT, Ahmed Hosny à l’Institut du cancer Dana-Farber de la faculté de médecine de Harvard et James Weaver à l’Institut médical Wyss de Harvard. Il a été soutenu par la Fondation Robert Wood Johnson, Gettylab, l’accord DARPA Engineered Living Materials et une bourse de la faculté des sciences et de l’ingénierie de la sécurité nationale.

http://news.mit.edu/2020/3-d-bioprinting-living-materials-0123