Réaliser une plateforme de bio-impression multimatériaux destinée à la recherche sur la régénération tissulaire spécifique à chaque patient : tel est l'objectif du projet CHIRON, qui vise une utilisation clinique à terme. Les premiers résultats montrent un potentiel important, notamment en orthopédie.

Par Elodie Pacard, PhD, consultant IPC

CHIRON est un projet européen de fabrication additive multi-matériaux en médecine régénératrice et ingénierie tissulaire dédiées, entre autres, au secteur de l’orthopédie. Il a d'ailleurs fait l'objet d'une présentation à l'occasion de l'édition 2022 de l’événement Orthomanufacture en mai dernier.

Le projet est basé sur la collaboration de deux entreprises : Concre3de, constructeur néerlandais de systèmes de fabrication additive, et IPC (Innovative Polymer Compounds), société irlandaise certifiée ISO 13485, spécialisée dans le compoundage de polymères techniques de qualité médicale. Le consortium comprend aussi trois partenaires académiques, qui jouent un rôle essentiel en matière d’expertise en ingénierie tissulaire et en bio-impression : l’Université Technologique d’Eindhoven (TU/e), le Trinity College de Dublin et le Centre Médical Universitaire d’Utrecht.

Combiner précisément biomatériaux, cellules et molécules

De nos jours, les biomatériaux peuvent être à la fois bioactifs, résorbables et biomimétiques, ils interagissent de plus en plus avec le vivant pour mieux intégrer l’implant. La bio-impression doit permettre de combiner précisément ces matériaux avec des cellules ou des molécules bioactives afin de créer des implants spécifiques à chaque patient, capables d’activer, de stimuler et de supporter la régénération des tissus fonctionnels endogènes.

L’avantage de la bio-impression est de pouvoir recréer rapidement (par comparaison aux techniques d’ingénierie tissulaire actuelles) un élément anatomique à partir de l’imagerie médicale, pour une personnalisation optimale. C’est aussi la possibilité de combiner précisément biomatériaux, cellules et molécules bioactives dans un système en trois dimensions. C'est la clef pour créer des organes ou tissus humains.

Deux types de bio-impression

Les technologies de bio-impression peuvent être divisées en deux catégories : la micro-extrusion et le jet d’encre. Dans la technologie de micro-extrusion, la bio-encre est extrudée à travers une buse au moyen d’un entraînement pneumatique ou mécanique (vis ou piston) pour former des filaments empilés dans les structures souhaitées. La technologie de jet d’encre, quant à elle, permet de générer des gouttelettes indépendantes sous l’effet de la température, d’un champ électrique ou encore d’un faisceau laser.

Parmi les deux technologies, la plus utilisée est la micro-extrusion, principalement en raison de sa capacité à s’adapter à une large gamme de viscosités.

Avec des dépôts moins denses, la technologie jet d’encre offre un meilleur taux de survie cellulaire (forces de cisaillement moins importantes) et parfois même une vitesse et une précision plus élevées que la technologie de micro-extrusion.

Une bio-impression à jet d'encre industrialisable

La technologie utilisée dans le projet CHIRON est celle du jet d’encre. Elle présente l’avantage d’avoir une haute résolution et d'offrir une productivité élevée avec 1024 aiguilles permettant d’imprimer des produits multi-matériaux. Si le premier champ d'application du projet est la recherche, cette technologie peut faire l'objet d'une production industrielle, dans la perspective d'une utilisation clinique à terme.

L'une des stratégies employées pour améliorer la tenue mécanique des produits est d’utiliser un hydrogel renforcé par un polymère thermoplastique.

L’équipe du Professeur Daniel J. Kelly, partenaire du projet, a publié récemment un article sur la possibilité et l’intérêt de recourir à des polymères thermoplastiques (type PCL, PLA, PLGA) pour renforcer les hydrogels d’alginate contenant des cellules pour des applications en orthopédie.

Des structures bi-phasiques multi-matériaux

Les chercheurs ont également démontré qu’il était possible d’imprimer des structures bi-phasiques multi-matériaux composées de deux faces. La première est destinée à corriger des défauts cartilagineux avec des chondrocytes en suspension dans un hydrogel. La seconde face intègre des cellules souches mésanchymateuses (capable de se différencier en ostéocytes) en suspension dans un hydrogel renforcé par un polymère thermoplastique.

Exemple de scaffold composite produit par bio-impression multimatériaux (source IPC).

Ces structures bi-phasiques ont été implantées dans un modèle de brebis mature pendant 6 mois et ont démontré qu'elles étaient capables de promouvoir la régénération d’un défaut ostéo-chondral de taille critique.

Des scaffolds pré-vascularisés

Dans un autre article, la même équipe a mis en évidence qu'une bio-encre à base de fibrine peut faciliter le développement in vitro d'un réseau vasculaire primitif stable. La présence de micro-vaisseaux dans des tissus bio-imprimés in vitro avant leur implantation conduit à une meilleure vascularisation une fois implantés. Cette étude démontre en outre, pour la première fois, que la bio-impression 3D peut être utilisée pour produire des scaffolds (échafaudages) pré-vascularisés qui améliorent la vascularisation des défauts osseux de taille critique.

Les avancées mises en lumière dans ce projet attestent du fait que la bio-impression associée à la médecine régénératrice offre des opportunités prometteuses en matière de développement de solutions spécifiques pour traiter les patients.

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