Si l'impression 3D fait couler beaucoup d'encre, celle-ci doit être déposée en quantité infime lorsqu'elle est "biologique". Dans le but de fabriquer des tissus humains, l'université Heriot-Watt utilise les micro-vannes de Lee Company pour distribuer des cellules souches par groupes de 5, sans en altérer la pluripotence.

Le développement des technologies d’impression 3D a été fulgurant ces dernières années pour les applications hautement spécialisées, comme l'impression de cellules humaines, appelée aussi bio-printing 3D.

Lorsqu'elle sortira du cadre des expérimentations de recherche, la bio-impression 3D permettra de bâtir des organes fonctionnels de toute pièce.

Elle devrait bientôt devenir aussi une alternative au processus controversé de tests de médicaments et de produits cosmétiques sur les animaux.

La technique "classique" consiste à déposer couche par couche des cellules souches embryonnaires. Si les progrès vont bon train, les défis à surmonter sont encore nombreux. Le principal concerne la difficulté à contrôler parfaitement la distribution des cellules tout en assurant la préservation de leur viabilité et de leurs fonctions.

Parmi les projets les plus avancés dans ce domaine, celui de l’Université Heriot-Watt d’Edimbourg consiste à déposer des cellules au travers de buses en utilisant des vannes de très haute précision. Pour ce faire, le Dr Will Shu et ses collègues, dont le doctorant en bio-engineering Alan Faulkner-Jones, ont fait appel aux électrovannes miniatures VHS de Lee Company. Ils ont aussi bénéficié de l’expertise de société écossaise Roslin Cellab, spécialisée dans les cellules souches. Cela leur a permis de développer avec succès une bio-imprimante très prometteuse.

Des gouttelettes de 2 nanolitres

La bio-imprimante en question a montré sa capacité à déposer des cellules hautement viables dans des séquences programmables, à partir de deux encres biologiques différentes. La première contient des cellules souches dans un milieu de culture servant à les alimenter. La seconde se compose du milieu de culture seul. Le volume de chaque gouttelette déposée est contrôlé de façon indépendante, avec une limite inférieure de 2 nanolitres. Ce qui correspond à cinq cellules par gouttelette. La superposition précise des couches permet d’obtenir des gradients de concentration en cellules souches. Celles-ci se regroupent alors, par gravité, en amas sphériques avec une taille contrôlée et répétable. Les agrégats peuvent ainsi être fabriqués sur commande pour répondre aux besoins d’applications spécifiques. Ils contiennent de 5 à 140  cellules dissociées ce qui représente un diamètre compris entre 250 à 600 microns.

Les micro-vannes de Lee Company permettent de distribuer des cellules souches par groupes de 5.

Ces résultats montrent qu'un processus d'impression contrôlé par électrovannes offre suffisamment de "délicatesse" pour maintenir la viabilité des cellules souches et de précision pour produire des sphéroïdes de taille uniforme. En outre, les cellules imprimées conservent leur propriétés pluripotentes, c'est à dire leur capacité de différenciation en n’importe quelle cellule.

Du matériel standard, de très haute précision

Si l’on regarde la conception de l’imprimante de près, on constate la présence de deux systèmes de distribution, comprenant chacun une électrovanne VHS capable de distribuer des volumes de l’ordre du nanolitre. Chaque électrovanne, pilotée par un micro-controleur Arduino, est équipée d’une buse Minstac de 101,6 microns de diamètre interne, revêtue de téflon. Le diamètre des buses est délibérément surdimensionné pour réduire les contraintes de cisaillement que pourraient subir les cellules au cours du processus de distribution.

Schéma de principe du système d'impression (Reproduit avec l'autorisation de IOP Publishing).

Chaque système de distribution est relié par un tube flexible à un réservoir de pression statique contenant la solution d’encre biologique à imprimer. Le système de distribution et les réservoirs sont montés sur la tête porte-outil d’une plateforme d’impression 3D High-Z S-400 de CNC Step (trois axes de résolution micrométique). L’ensemble est orchestré par une carte de contrôle de moteurs G540 (Geckodrive) personnalisée.

Les réservoirs d’encre biologique ont été placés le plus près possible des électrovannes afin de minimiser le temps de chargement du système et de faciliter la purge à la fin de chaque expérience.

L’imprimante inclut également un microscope USB pour permettre une inspection visuelle du substrat cible pendant le processus d'impression. En raison du type de système de dépôt utilisé, il est impossible de bénéficier d’une ligne de vue directe à travers la buse. Le microscope est donc monté avec un angle décalé par rapport aux éléments de dépôt des cellules.

"A notre connaissance, c’est la première fois que des cellules peuvent être imprimées en 3D avec ce niveau de maîtrise", souligne le Dr Will Shu. "La technique nous permettra de créer des modèles de tissus humains plus précis. C’est essentiel pour développer des médicaments et en tester la toxicité. La majorité des recherches pharmaceutiques visant les maladies humaines, il est logique d'utiliser des tissus humains pour effectuer les tests in vitro".

Interrogé sur les électrovannes VHS, le Dr Will Shu précise que son équipe est très satisfaite de leurs performances : "c'est un élément essentiel de la tête d'impression et nous les recommandons à nos collègues sur des projets similaires. Nous avons aussi apprécié le soutien apporté par Lee Company, pour relever les défis de ce projet".

Lee Company SA, F-78960 Voisins-le-Bretonneux, www.theleeco.com