Âgé d'à peine 10 ans, le concept d’impression 4D mobilise nombre de chercheurs dans le monde. C'est le cas de Sébastien Blanquer, de l'Institut Charles Gerhardt de Montpellier, qui nous rappelle de quoi il s'agit et lève le voile sur les applications auxquelles on peut s'attendre dans le secteur médical.

Sébastien Blanquer

Par Sébastien Blanquer, Chargé de Recherche CNRS, ICGM (Institut Charles Gerhardt de Montpellier)

Depuis sa naissance en France en 1984, la fabrication additive, communément appelée impression 3D, n’a cessé d’évoluer, tant sur le plan du procédé que des types de matériaux utilisés. Cette évolution a notamment entraîné un bouleversement dans le domaine biomédical car elle favorise une médecine personnalisée avec la possibilité de concevoir des dispositifs médicaux sur mesure.

Aujourd'hui, la fabrication additive peut s'appliquer à une grande variété de métaux, polymères et céramiques, et l'un des principaux enjeux est de la faire évoluer vers des matériaux dits intelligents, capables de se transformer sous stimulation.

Des matériaux imprimables et sensibles à des stimuli

Il existe en effet des matériaux à la fois imprimables en 3D et sensibles aux stimuli, qui ont la capacité de changer de forme, de propriétés et de fonctionnalités, de façon programmée dans le temps. Ces changements se produisent sous l'influence d’agents spécifiques qui transforment un objet inanimé en 3D en un objet dynamique 4D.

Même si cette technologie d'impression 4D est très récente, plusieurs types de matériaux stimulables peuvent s'y prêter : des polymères ou alliages à mémoire de forme, des hydrogels, des cristaux liquides élastomères ou encore des nanocomposites actifs.

Les types de stimuli sont également variés. Ils peuvent prendre la forme d’agents :

• chimiques (pH, ions métalliques, humidité),
• physiques (température, lumière, électromagnétisme)
• ou encore physiologiques et biologiques (interactions enzymatiques, protéines, taux de glucose).

Et chacun de ces stimuli peut déclencher un effet permanent ou réversible.

Le concept d'impression 4D repose donc sur la synergie de l’imprimabilité du matériau et de son caractère stimulable, le tout devant être indissociable de la transformation résultante.

Il est de ce fait essentiel de comprendre et d’anticiper comment une structure 3D pourrait réagir lors d'une stimulation précise et de sélectionner le matériau intelligent le plus approprié à l’application ciblée.

Ce changement de paradigme constitue un progrès considérable, notamment pour la chirurgie et la médecine thérapeutique.

C’est dans cette perspective que le laboratoire de l’institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM) mène des recherches actives sur le développement de polymères stimulables adaptés à l’impression 4D.

Vers des implants imprimés en 4D pour une chirurgie mini-invasive

L'une des approches des recherches menées à l'ICGM a été de développer des dispositifs implantables 4D présentant la capacité de changer de taille et de forme dans le temps. L'objectif est de réduire les interventions chirurgicales invasives et de faciliter l’implantation dans des zones anatomiquement difficiles d’accès pour le chirurgien.

Un des dispositifs de ce type est illustré sur la page précédente. Il s'agit d'un implant poreux thermosensible destiné à la reconstruction tissulaire osseuse.

Dans cet exemple, le dispositif placé dans un environnement à une température de 30°C reste statique. Puis un changement de température à 37°C déclenche progressivement un déploiement de la structure. Celle-ci va prendre une taille et une morphologie qui pourra épouser l’anatomie de la zone à soigner.

De plus, à partir de ce polymère à mémoire de forme, il a également été possible de développer des dispositifs 4D capables de présenter une réversibilité de transformation (contraction/déploiement). La maitrise par stimulation de ce comportement réversible pourrait apporter une solution dans les cas de complications de migrations post-chirurgicales des implants par exemple. Ces complications peuvent être observées classiquement après la pose de stents vasculaires ou intestinaux. A travers une stimulation séquentielle, le volume de l’implant 4D peut être modifié de façon réversible afin de faciliter sa relocalisation sans pratiquer d’intervention lourde.

Pour d'autres applications comme l'administration de médicaments

Sur le même raisonnement de polymère intelligent, l’ICGM a également développé des hydrogels stimulables par impression 4D. Ces hydrogels ont montré une capacité de changement de volume significatif et rapide sous stimulation. Ces matériaux ont la capacité de gonfler ou encore de se rétracter de façon réversible et programmée sous l'effet de la température ou de la lumière. Ce changement de volume provoque de fait une expulsion d’eau, mais aussi une libération potentielle de molécules emprisonnées dans la matrice gel.

Le développement de tels polymères peut, entre autre, apporter un bénéfice significatif dans la libération contrôlée et prolongée de principes actifs médicamenteux.

D’autres applications biomédicales encore plus ambitieuses comme les biocapteurs ou la biorobotique sont actuellement à l’étude, et ouvrent ainsi des perspectives illimitées à l’impression 4D dans la santé.

Enfin, à l’image des remarquables perspectives qu’offre l’impression 4D dans le domaine biomédical, son avenir dans les secteurs de l’énergie, de l’aérospatial et de l’environnement est également extrêmement prometteur.

www.icgm.fr