alt=Bio-imprimante tridimensionnelle développée par la société russe 3D Bioprinting Solutions, capable d'imprimer des organes vivants.|vignette|Bio-imprimante tridimensionnelle développée par la société russe 3D Bioprinting Solutions.
La bioimpression ou bio-impression est une application biomédicale des procédés d'impression 3D permettant de produire artificiellement des tissus biologiques. La bio-impression peut être définie comme la structuration spatiale de cellules vivantes et d'autres produits biologiques en les empilant et en les assemblant en utilisant une méthode de dépôt couche par couche assistée par ordinateur pour développer des tissus vivants et des organes pour l'ingénierie tissulaire, la médecine régénérative, la pharmacocinétique et plus généralement la recherche en biologie. C'est une innovation récente qui positionne simultanément des cellules vivantes et des biomatériaux couche par couche pour fabriquer des tissus vivants. L’utilisation principale des organes imprimés est la transplantation. Des recherches sont actuellement menées sur des structures artificielles du cœur, des reins, du foie ainsi que sur d'autres organes vitaux. Pour les organes les plus complexes comme le cœur, des constructions plus petites telles que les valves cardiaques ont également fait l'objet de recherches. Certains organes imprimés ont déjà atteint la mise en œuvre clinique mais concernent principalement des structures creuses telles que la vessie ainsi que des structures vasculaires.
Définition vignette|Vidéo d'une bioimpression de tubules rénaux contournés proximaux sur une puce de test.
La bio-impression 3D est le processus de création de structures cellulaires dans un espace confiné à l'aide des techniques d'impression 3D, où la fonction et la viabilité cellulaire sont conservées dans la construction imprimée. Généralement, la bio-impression 3D utilise la méthode d'impression couche par couche pour déposer des matériaux parfois désignés sous le nom de bioencres pour créer des structures semblables à des tissus biologiques naturels qui sont ensuite utilisées dans les domaines de l'ingénierie médicale et des tissus. La bio-impression fait appel à une large gamme de matériaux. À l'heure actuelle, la bio-impression peut être utilisée pour imprimer des tissus et des organes notamment pour la recherche pharmaceutique. Le premier brevet lié à cette technologie a été déposé aux États-Unis en 2003 et accordé en 2006.
La bioimpression se situe à l'interface de nombreux domaines : médecine, ingénierie, informatique, génie génétique etc. Les tissus biologiques sont constitués de tissus durs composés de matrices extracellulaires organiques et inorganiques et de tissus mous formés par les cellules. La matière vivante cellulaire est imprimée à partir de cellules souches. Elle est déposée en gouttelettes d’encre biologique qui vont former des couches successives et qui en se superposant constitueront un tissu biologique en trois dimensions. Pour produire de l’encre biologique, on peut utiliser les cellules souches du patient que l’on va cultiver (il en faut des millions pour créer un millimètre carré de tissu). Les cellules souches sont mises en suspension dans un milieu spécifique modifiable à température ambiante. Le support sur lequel est imprimé le tissu est une fine couche de collagène (protéine la plus abondante du corps humain, responsable de la cohésion des tissus) que l’on pourrait comparer au papier d’une imprimante traditionnelle. En plus des cellules et des biomatériaux, la bioimprimante doit également intégrer un spectre de substances biochimiques (c'est-à-dire des chimiokines, des facteurs de croissance, des facteurs d'adhérence ou des protéines de signalisation) pour promouvoir un environnement de survie, de motilité et de différenciation cellulaire.
On peut distinguer plusieurs étapes lors de l’impression d’un tissu par bio-impression 3D. Ces trois étapes technologiques séquentielles sont le prétraitement, le traitement (impression) et le post-traitement : la conception plus ou moins identique aux tissus d'origines puis la conception par ordinateur du modèle qui va définir comment les cellules souches vont être imprimées couche par couche en fonction des caractéristiques exprimées dans la première étape. Cette étape est couplée à la troisième étape qui est de programmer l’imprimante via des logiciels spécialisés qui vont traduire dans le langage de l’imprimante les actions à effectuer. Ces deux étapes sont semblables à celles à effectuer pour concevoir un objet à partir d’une imprimante 3D plastique ; l'impression automatisée du tissu par l’imprimante qui diffère selon la technologie utilisée. Deux paramètres essentiels dans la bio-impression sont la densité et la résolution. La densité des cellules est celle dans l’encre biologique. Si celle-ci est trop basse alors la phase finale ne sera pas bien réalisée et le tissu ne sera pas viable. La résolution est la précision avec laquelle les cellules vont être placées par l’imprimante. Si la précision n’est pas optimale alors la structure prédéfinie des cellules ne sera pas respectée et le tissu n’aura pas la bonne forme, empêchant par la même occasion le bon déroulement de la phase finale de développement des cellules ; la dernière étape est celle de la maturation des tissus imprimés. C’est la phase durant laquelle les cellules assemblées vont évoluer et interagir ensemble de manière à former un tissu cohérent et viable. Durant le processus de post-impression au sein d'un bioréacteur les tissus connaissent une maturation rapide notamment par le développement de la vascularisation et de l'innervation à plusieurs niveaux augmentant la résistance et l'intégrité mécanique des tissus en vue d'une transplantation. Placées dans un incubateur les tissus se développent jusqu’à former un tissu cohérent. Cette phase commence environ après l’impression et peut durer plusieurs semaines selon la taille du tissu. Avec la phase de maturation, on peut parler d’impression 4D car la dimension temporelle après impression est primordiale.
Les bioréacteurs fonctionnent en fournissant un environnement propice au développement des tissus par un apport en nutriments convectifs, en créant un environnement en microgravité et en favorisant la circulation de la solution dans les cellules. Il existe différents types de bioréacteurs adaptés à différents types de tissus, par exemple, les bioréacteurs à compression sont idéaux pour les tissus cartilagineux.
Historique C’est en 1938 qu’Alexis Carrel, Prix Nobel de Médecine en 1912, et Charles Lindbergh, pionnier de l’aviation et inventeur passionné, proposent de cultiver des organes. Et il faut attendre l'apparition de la médecine régénératrice qui cherche à remplacer les cellules endommagées du corps humain par des organes sains pour voir apparaître les premières greffes. Néanmoins le risque de rejet par le patient est important et nécessite des précautions de la part du corps médical.
Le concept de la bioimpression est apparu en 1988, grâce au Dr Robert J. Klebe de l'Université du Texas, qui réalise la première micro-impression d'éléments biologiques à base de fibronectine grâce à une imprimante de bureau à jets d’encre.
C’est au que se développe la technologie de la bio-impression. Elle permet la fabrication sur mesure de tissus ou d’organes avec les cellules du patient, minimisant ainsi les risques de rejet. Elle consiste en un assemblage de constituants des tissus biologiques (cellules) prédéfinis par conception numérique. Le but étant de chercher à reproduire l’organisation tridimensionnelle des cellules comme le fait naturellement le corps humain. Cette technologie reprend le principe couche par couche de l'impression 3D. La bio-impression se définit comme une technologie de rupture car elle résulte du regroupement de connaissances en physique, biologie, mécanique et informatique. Les applications sont aujourd'hui limitées à cause de la découverte récente de cette technologie mais à long terme, les applications espérées sont nombreuses et innovantes.
En 2003, Thomas Boland de l'Université de Clemson brevette l'utilisation de l'impression de jet d'encre pour les cellules. Le procédé utilise un système modifié pour le dépôt de cellules dans des matrices tridimensionnelles placées sur un substrat.
Depuis les premières expérimentations de Boland, l'impression 3D de structures biologiques, également connue sous le nom bio-impression (de l’anglais bioprinting), s’est développée. De nouvelles techniques d’impression ont été mises au point par exemple l’impression par extrusion.
L'impression d'organes a été rapidement considérée comme une solution potentielle à la pénurie mondiale d'organes pour les transplantations. Des organes imprimés ont déjà été transplantés avec succès. En particulier des tissus tels que la peau, des tissus vasculaires, tels que les vaisseaux sanguins, ou des organes creux, comme la vessie. Les organes artificiels sont le plus souvent réalisés à partir des propres cellules du receveur ce qui permet d’éliminer les problèmes liés aux risques de rejet.
L’impression d’organes plus complexes fait l’objet d’intenses recherches autour du monde. Par exemple pour le cœur, le pancréas, le foie ou les reins. Début 2017, ces recherches n’avaient pas encore abouti à une transplantation.
Techniques L'impression 3D pour la fabrication d'organes artificiels est devenue un sujet majeur d'étude en génie biologique. Comme les techniques de fabrication par l'impression 3D deviennent de plus en plus efficaces, leur applicabilité dans la synthèse d'organe artificiel est devenue plus évidente. Les principaux avantages de l'impression 3D sont sa capacité de production en masse de structures complexes personnalisables ainsi que le degré élevé de précision anatomique obtenu. La bio-impression 3D offre une polyvalence sans précédent pour positionner des cellules et des biomatériaux avec un contrôle précis sur leurs compositions, leurs distributions spatiales et leur précision architecturale ce qui permet une reconstitution détaillée voire personnalisée de la forme finale, de la structure, de la microstructure et de l'architecture des tissus et des organes imprimés.
Par rapport à l'impression 3D non biologique, la bio-impression 3D induit des niveaux de complexité supplémentaire, telles que le choix des matériaux, le type de cellules, les facteurs de croissance et de différenciation et les défis techniques liés aux sensibilités des cellules vivantes et à la construction des tissus.
L'impression d'organes en utilisant l'impression 3D peut être effectuée en utilisant une variété de techniques, chacune conférant des avantages spécifiques qui peuvent être adaptées à des types particuliers de production d'organes.
L'approche d’ingénierie des tissus traditionnelle consistait à semer des cellules sur un échafaudage de matrices c'est-à-dire une structure de support solide comprenant un réseau de pores interconnecté. Cette structure doit maintenir la forme et les propriétés mécaniques du tissu synthétisé et aider à la fixation des cellules en fournissant un substrat pour la prolifération cellulaire. La technologie d'impression 3D est une innovation récente qui permet de réaliser simultanément l'ensemencement des cellules vivantes et la création de la structure de biomatériaux par couches.
Les trois techniques de bio-impression 3D les plus répandues sont la technique d’impression par laser, la technique de la microextrusion et la technologie jet d’encre. En plus de ces techniques, une équipe de chercheurs à Cambridge développe une imprimante acoustique où des ondes font vibrer de la bioencre, ce qui va provoquer l'éjection de gouttelettes avec la précision de la taille d’une cellule. Aujourd’hui, sur internet, on peut trouver des explications sur la manière de faire sa propre bio-imprimante à partir d’une imprimante de bureau du type HP comme le présente le site TeVido BioDevices.