La bio-impression 3D ouvre de nouvelles perspectives pour la production d’organes et de tissus nécessaires à des applications telles que la transplantation d’organes et le développement de médicaments. Cependant, si les bio-encres existantes sont biocompatibles et imprimables, elles ne reproduisent pas fidèlement la structure et la composition physiologiques des tissus. Dans le cadre du projet PhysioINK, les chercheurs de l’institut Fraunhofer développent des bio-encres à partir des protéines tissulaires les plus courantes afin de reproduire les structures tissulaires physiologiques sans modification chimique.
En Allemagne seulement, la liste d’attente pour une greffe d’organe compte chaque année 8 000 personnes, et environ 10 % d’entre elles ne reçoivent jamais d’organe. La bio-impression 3D pourrait contribuer à pallier la pénurie mondiale d’organes en permettant la production automatisée d’organes implantables ou de composants d’organes adaptés à chaque patient, « d’un simple clic ».
Cette technologie pourrait également servir à imprimer des modèles de tissus pathologiques reproduisant les tissus malades, soutenant ainsi la recherche sur les maladies et le développement et les essais de médicaments. Cependant, un défi majeur persiste : les bio-encres présentent soit de bonnes propriétés d’impression mais ne peuvent reproduire les structures tissulaires naturelles, soit elles reproduisent ces structures mais ne sont pas suffisamment imprimables.
L’Institut Fraunhofer de recherche sur les silicates (ISC), l’Institut Fraunhofer de recherche appliquée sur les polymères (IAP), l’Institut Fraunhofer de microstructure des matériaux et des systèmes (IMWS) et le département de bioanalyse et de bioprocédés de l’Institut Fraunhofer de thérapie cellulaire et d’immunologie (IZI) travaillent à surmonter cet obstacle. Dans le cadre du projet PhysioINK, les chercheurs visent à développer des bio-encres durables et optimisées pour les procédés de fabrication, capables de reproduire fidèlement les structures physiologiques des organes humains et d’être utilisées efficacement dans diverses méthodes d’impression 3D.
Ils prévoient de développer deux applications : des modèles standardisés de tumeurs intestinales pour le développement de médicaments et des tissus cardiaques physiologiques, étape vers des implants fonctionnels pour la médecine régénérative personnalisée.
Encres d’impression hautement concentrées à base de collagène et d’élastine
« Jusqu’à présent, les encres d’impression étaient fabriquées à partir de matériaux entièrement synthétiques ou fortement modifiés chimiquement. À l’inverse, nous utilisons des matériaux physiologiques, les mêmes que ceux qui composent nos organes », explique Tobias Weigel, coordinateur du projet et chercheur à l’institut Fraunhofer ISC de Wurtzbourg.
Dans un premier temps, l’équipe du projet développe des encres d’impression à base de protéines hautement concentrées, notamment du collagène de type I, du collagène de type IV et de l’élastine, qui présentent un pH neutre et des propriétés physiologiques, tout en démontrant une excellente biocompatibilité avec les cellules humaines.
Le consortium y parvient en combinant des sulfates de cellulose adaptés précisément à la structure moléculaire des protéines structurales. Ces sulfates de cellulose stabilisent initialement les protéines, les maintenant dissoutes et imprimables. Un déclencheur thermique supprime ensuite cette stabilisation, permettant aux protéines structurales de s’auto-organiser en structures fibreuses ou réticulaires physiologiques.
Encapsulation de molécules de collagène chargées positivement avec des sulfates de cellulose chargés négativement
Les tissus mous humains contiennent des protéines structurales fibreuses : le collagène et l’élastine. Celles-ci représentent de 60 à 100 % de la composition tissulaire, selon le type de tissu. Lors de l’impression, ces composants fibreux doivent être agencés selon leur configuration naturelle pour que les tissus et les organes fonctionnent correctement. Les experts appellent ce processus « réorganisation des protéines ». Dans le cadre du projet PhysioINK, les chercheurs encapsulent des molécules de collagène ou d’élastine chargées positivement dans des macromolécules correspondantes chargées négativement, à base de dérivés de cellulose durables (CS).
« Le sulfate de cellulose ressemble beaucoup aux grosses molécules de sucre présentes dans le corps humain et peut se lier au collagène, l’empêchant initialement de se réorganiser. Il s’agit d’un processus spontané au cours duquel les chaînes protéiques s’entrelacent pour former des fibrilles – des fibres extrêmement fines et filiformes – qui confèrent une résistance telle que le collagène ne peut plus être modelé », explique Weigel.
Le sulfate de cellulose ralentit brièvement cette réorganisation, stabilisant les protéines à l’état dissous et imprimable. Après impression, une élévation de température relance le processus naturel de réorganisation. Les protéines structurales se réorganisent alors indépendamment en leurs structures fibreuses ou réticulaires physiologiques, produisant un tissu à structure fibrillaire. Les chercheurs ont déjà déposé une demande de brevet pour ce principe fondamental.
Forts de ces découvertes, les partenaires du projet PhysioINK développent trois encres d’impression différentes à base de collagène de type I, de collagène de type IV et d’élastine. À terme, ils ambitionnent d’appliquer ce principe à d’autres protéines, ce qui nécessitera d’adapter le sulfate de cellulose en conséquence.
Premier tissu cutané présentant une structure fibrillaire de collagène physiologique imprimé avec succès
Les encres d’impression doivent rester stables pendant le stockage, le transport et l’utilisation. Des tests ont montré que l’encre de collagène de type I reste stable et ne gélifie pas lorsqu’elle est réfrigérée à 4 °C. La durée de conservation maximale enregistrée à ce jour est d’environ neuf mois. L’encre peut également être congelée à -20 °C sans perdre ses propriétés gélifiantes.
Des échantillons d’encre ont été expédiés entre les partenaires du projet dans des emballages isothermes contenant des accumulateurs de froid.
La température à l’intérieur de chaque colis a été mesurée à réception. Le premier envoi est arrivé en 24 heures par temps clément, à une température de 2,8 degrés. Le second est arrivé en 48 heures par temps extrême, à une température de 8,0 degrés. Ces résultats démontrent que l’expédition d’échantillons d’encre en Allemagne ne pose aucun problème, à condition de garantir une livraison sous 48 heures.
Lors des premiers tests, les chercheurs ont réalisé des impressions avec des encres de collagène de type I à des concentrations de 3 %, 5 % et 7 % à l’aide de différentes buses, afin d’évaluer la stabilité structurelle et la viabilité cellulaire. À 3 %, l’encre a continué à s’étaler après l’impression et pendant la gélification.
Cependant, les deux concentrations les plus élevées ont permis d’imprimer des structures autoportantes. L’équipe a déjà imprimé avec succès des modèles initiaux de tissu cutané, démontrant ainsi le potentiel de l’encre de collagène de type I. Le suivi en temps réel du métabolisme des cellules humaines permet également aux chercheurs de contrôler en continu l’apport en nutriments du tissu. Ceci permet d’évaluer la qualité des structures tissulaires imprimées et d’optimiser systématiquement leur architecture.
Cette nouvelle technologie représente une avancée majeure. Les contraintes de coût font que la quasi-totalité des encres d’impression actuelles utilisent des collagènes d’origine animale, fortement modifiés, qui ne peuvent reproduire la physiologie humaine que de façon limitée.
À l’inverse, les encres d’impression PhysioINK seront composées de composants physiologiques, idéalement d’origine humaine. Ces conditions sont prometteuses pour la recherche pharmaceutique et l’impression d’organes personnalisés, viables et implantables.
