Valves cardiaques bioinspirées et imprimées en 3D
Les échafaudages créés par l'électrification par fusion visent à favoriser la formation de nouveaux tissus.
Des chercheurs ont mis au point des valves cardiaques artificielles imprimées en 3D, conçues pour permettre aux propres cellules d'un patient de former de nouveaux tissus. Pour former ces échafaudages à l'aide de l'électrification par fusion - une technique de fabrication additive avancée - l'équipe a créé une nouvelle plateforme de fabrication qui leur permet de combiner différents motifs précis et personnalisés et donc d'affiner les propriétés mécaniques de l'échafaudage. Leur objectif à long terme est de créer des implants pour enfants qui se développent en nouveaux tissus et durent donc toute la vie.
Petra Mela, professeur de matériaux médicaux et d'implants à l'Université technique de Munich (TUM), et Kilian Meuller, candidat au doctorat, examinent une valve cardiaque artificielle produite à l'aide de la technologie de fabrication additive melt electrowriting.
Andreas Heddergott / TUM
Dans le corps humain, quatre valves cardiaques assurent la circulation du sang dans le bon sens. Il est essentiel que les valves cardiaques s'ouvrent et se ferment correctement. Pour remplir cette fonction, le tissu des valves cardiaques est hétérogène, ce qui signifie que les valves cardiaques présentent des propriétés biomécaniques différentes au sein d'un même tissu.
Une équipe de chercheurs travaillant avec Petra Mela, professeur de matériaux médicaux et d'implants à l'Université technique de Munich (TUM), et le professeur Elena De-Juan Pardo de l'Université d'Australie occidentale, ont maintenant, pour la première fois, imité cette structure hétérogène à l'aide d'un procédé d'impression 3D appelé électrowriting. Pour ce faire, ils ont mis au point une plateforme qui facilite l'impression de motifs personnalisés précis et leur combinaison, ce qui leur a permis de régler avec précision différentes propriétés mécaniques au sein d'un même échafaudage.
L'électrification à l'état fondu permet de créer des échafaudages de fibres précis et personnalisés.
L'électrorécriture à l'état fondu est une technologie de fabrication additive relativement nouvelle qui utilise une haute tension pour créer des motifs précis de fibres polymères très fines. Un polymère est chauffé, fondu et poussé hors d'une tête d'impression sous forme de jet liquide pour former les fibres.
Au cours de ce processus, un champ électrique à haute tension est appliqué, ce qui réduit considérablement le diamètre du jet de polymère en l'accélérant et en le tirant vers un collecteur. On obtient ainsi une fibre fine dont le diamètre est typiquement de l'ordre de cinq à cinquante micromètres. En outre, le champ électrique stabilise le jet de polymère, ce qui est important pour créer des motifs définis et précis.
L'"écriture" du jet de fibres selon des motifs prédéfinis est effectuée à l'aide d'un collecteur mobile commandé par ordinateur. Comme lorsqu'on déplace une tranche de pain sous une cuillère trempée dans du miel, la plate-forme mobile recueille la fibre émergente le long d'une trajectoire définie. L'utilisateur spécifie cette trajectoire en programmant ses coordonnées.
Afin de réduire considérablement l'effort de programmation associé à la création de structures complexes pour les valves cardiaques, les chercheurs ont développé un logiciel permettant d'attribuer facilement différents motifs à différentes régions de l'échafaudage en choisissant dans une bibliothèque de motifs disponibles. En outre, les spécifications géométriques telles que la longueur, le diamètre et l'épaisseur de l'échafaudage peuvent être facilement ajustées via l'interface graphique.
Les échafaudages de la valve cardiaque sont compatibles avec les cellules et biodégradables.
L'équipe a utilisé du polycaprolactone (PCL) de qualité médicale pour l'impression 3D, qui est compatible avec les cellules et biodégradable. L'idée est qu'une fois les valves cardiaques en PCL implantées, les cellules du patient se développeront sur l'échafaudage poreux, comme cela a été le cas dans les premières études de culture cellulaire. Les cellules pourraient alors potentiellement former un nouveau tissu, avant que l'échafaudage en PCL ne se dégrade.
L'échafaudage en PCL est enrobé d'un matériau semblable à l'élastine qui imite les propriétés de l'élastine naturelle présente dans les vraies valves cardiaques et fournit des micropores plus petits que les pores de la structure en PCL. L'objectif est de laisser suffisamment d'espace pour que les cellules puissent s'installer, mais de sceller les valves de manière adéquate pour la circulation sanguine.
Les valves modifiées ont été testées à l'aide d'un système circulatoire fictif simulant la pression et le débit sanguins physiologiques. Les valves cardiaques se sont ouvertes et fermées correctement dans les conditions examinées.
Les nanoparticules permettent une visualisation par IRM
Le matériau PCL a été perfectionné et évalué en collaboration avec Franz Schilling, professeur de résonance magnétique biomédicale, et Sonja Berensmeier, professeur d'ingénierie de la bioséparation à la TUM. En modifiant le PCL avec des nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques de très petite taille, les chercheurs ont pu visualiser les échafaudages par imagerie à résonance magnétique (IRM). Le matériau modifié reste imprimable et compatible avec les cellules. Cela pourrait faciliter l'application de cette technologie en clinique, car les échafaudages peuvent ainsi être surveillés lors de leur implantation.
"Notre objectif est de concevoir des valves cardiaques bioinspirées qui favorisent la formation de nouveaux tissus fonctionnels chez les patients. Les enfants bénéficieraient tout particulièrement d'une telle solution, car les valves cardiaques actuelles ne grandissent pas avec le patient et doivent donc être remplacées au fil des ans lors de multiples interventions chirurgicales. Nos valves cardiaques, au contraire, imitent la complexité des valves cardiaques naturelles et sont conçues pour permettre aux cellules du patient de s'infiltrer dans l'échafaudage", explique Petra Mela.
La prochaine étape sur la voie de la clinique sera la réalisation d'études précliniques sur des modèles animaux. L'équipe travaille également à l'amélioration de la technologie et au développement de nouveaux biomatériaux.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Saidy, N. T., Fernández-Colino, A., Heidari, B. S., Kent, R., Vernon, M., Bas, O., Mulderrig, S., Lubig, A., Rodríguez-Cabello, J. C., Doyle, B., Hutmacher, D. W., De-Juan-Pardo, E. M., Mela, P., Spatially Heterogeneous Tubular Scaffolds for In Situ Heart Valve Tissue Engineering Using Melt Electrowriting. Adv.Funct.Mater. 2022, 2110716.
Mueller, K. M. A., Topping, G.J., Schwaminger, S.P., Zou, Y., Rojas-González, D. M., De.Juan-Pardo, E., Berensmeier, S., Schilling, F., Mela, P., Visualization of USPIO-labeled melt-electrowritten scaffolds by non-invasive magnetic resonance imaging, Biomater.Sci. 2021,9, 4607-4612.
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