Impression 3D d’organes humains – Dans quelle mesure est-ce réaliste ?

Le monde de l’impression 3D se développe à un rythme très rapide. Les estimations suggèrent que la taille du marché mondial de l’impression 3DLes produits et services connaîtront une croissance triplée entre 2020 et 2026. Évalué à 12.6 milliards de dollars américains en 2020, le marché pourrait atteindre plus de 37 milliards de dollars américains d’ici 2026.

L’essor du marché des applications est bien soutenu par l’espace où l’innovation se produit – à la fois au niveau des institutions et des entreprises. Les grandes entreprises technologiques américaines, par exemple, ont été très actives dans le domaine de l'impression 3D, comme en témoigne le nombre de brevets qu'elles ont publiés depuis 2010. General Electrics, par exemple, en a publié jusqu'à Brevets 342 entre 2010 et 2019. 

Cependant, le domaine de l’impression 3D a toujours été confronté à la question cruciale de son applicabilité dans la vie réelle. Bien qu'il ait toujours été un espace scientifiquement passionnant et attrayant à explorer, nombreux sont ceux qui se demandent : « Dans quelle mesure est-il réaliste ? »

Récemment, une expérience réussie a montré à quel point cela pouvait être réel l'éventualité C'est lorsqu'une équipe de recherche de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie a développé ce qui pourrait être le modèle pour les premiers éléments constitutifs d'organes compatibles avec l'homme imprimé à la demande. Dans le prochain segment, nous examinerons plus en détail l’expérience et ses résultats. 

Biomatériaux aux propriétés mécaniques contrôlées correspondant à celles de divers tissus humains 

L'expérience a été dirigée par Liheng Cai et Jinchang Zhu. Liheng Cai est professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et de génie chimique, et Jinchang Zhu est titulaire d'un doctorat. étudiant.

La méthode de bio-impression qu’ils ont suivie s’appelle Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Cette technique dépose des particules de biomatériaux dans une matrice de support à base d'eau pour construire des structures 3D offrant un environnement propice à la croissance des cellules.

En publiant leurs conclusions dans la revue Communications Nature, les scientifiques ont intitulé le rapport 'Bio-impression voxélisée de gouttelettes de bio-encre modulaires à double réseau.' Le terme Voxel vient du fait que le processus d'impression suit la façon dont les « voxels » (la version 3D des pixels) construisent des objets 3D. 

Tout en expliquant la percée que leurs recherches ont permis à la communauté scientifique, Jinchang Zhu a déclaré ce qui suit :

«Nos nouvelles particules d'hydrogel représentent le premier voxel fonctionnel que nous ayons jamais créé. Avec un contrôle précis des propriétés mécaniques, ce voxel peut constituer l’un des éléments de base de nos futures constructions d’impression.

Dans sa tentative d'être plus spécifique pour l'utilisateur commun, Zhu a souligné les qualités remarquables de sa technique par rapport à d'autres méthodes de bio-impression. Il a souligné l'élément de « contrôle » dans leur technologie, ce qui en faisait possible d'imprimer des organoïdes. 

Ces organoïdes n’étaient rien d’autre que des modèles cellulaires 3D pouvant fonctionner comme des tissus humains. Ça pourrait être exploité pour étudier la progression de la maladie dans notre recherche en constante évolution de remèdes. 

Un grand pas en avant par rapport aux technologies de bio-impression existantes

Zhu a qualifié leur innovation de « grand pas en avant » par rapport aux technologies de bio-impression existantes, car elle était « robuste et respectueuse des cellules ». Les particules d'hydrogel polymère utilisées dans l'expérience pourraient imiter les tissus humains en modifiant l'arrangement et les liaisons chimiques des monomères monomoléculaires, qui se lient en chaînes pour former des réseaux.

En comparaison avec d’autres solutions similaires, la solution proposée par Cai et Zhu s’est également révélée moins toxique et plus biocompatible. 

L’équipe a également réalisé des améliorations significatives dans son utilisation de la bio-imprimante. La buse multicanal qu’ils ont conçue pourrait mélanger les composants de l’hydrogel à la demande. Cela a aidé à résoudre le défi posé par réticulation ultra-rapide, qui transformé les gouttelettes de liquide en gel élastique gonflé par l'eau en 60 secondes.

La technique DASP élimine ce goulot d'étranglement en déposant de grosses gouttelettes depuis une buse étroite et rapide dans la matrice, les mettant immédiatement en suspension. D’une certaine manière, cela résout un problème central dans le domaine de la science de la matière molle et de la bio-impression 3D : la manipulation précise des voxels viscoélastiques. En résumant cette réussite, Cai a déclaré :

« Nous avons désormais jeté les bases de la bio-impression voxélisée. Une fois pleinement réalisées, les applications du DASP comprendront la transplantation d'organes artificiels, la modélisation de maladies et de tissus et la sélection de candidats pour de nouveaux médicaments. Et cela ne s'arrêtera probablement pas là.

Comme nous l’avons déjà vu, les innovations autour de la bio-impression 3D existent depuis longtemps. Il est donc évident que de nombreuses entreprises réputées ont adopté cette technologie. Dans les segments suivants, nous examinons deux entreprises qui ont facilité cet espace dans science médicale et technologie de la santé. 

# 1. Northwell Santé

L'entreprise prétend être '100 % dédié à être le premier système de santé à imprimer en 3D votre remède ». L'une des interventions les plus cruciales de Northwell Health dans ce domaine a été dans les prothèses. 

La compagnie Un imprimé en 3D membre prothétique amphibie. La solution est une palme qui permet à la personne amputée d'entrer et de sortir de l'eau sans changer de prothèse.

Parmi les avantages de cette palme, on compte l'utilisation de matériaux en fibre de carbone de pointe et l'optimisation d'une forme ergonomique pour garantir une mobilité durable et efficace. Northwell a utilisé du nylon renforcé de fibre de carbone pour la fabrication de cette palme, alliant résistance et flexibilité. De plus, sa durabilité le rendait adapté à une utilisation sur terre et dans l’eau. 

L’aileron avait une dynamique matérielle unique. Il comportait des trous de forme conique permettant de contrôler la quantité d’eau qui le traversait. La conception et la disposition des trous autorisés traînée et propulsion naturelles dans l'eau. Le nombre de trous était réglable selon les besoins spécifiques de la personne amputée. 

Northwell Health est depuis longtemps un champion du développement de modèles détaillés de parties du corps imprimés en 3D pour aider les chirurgiens à mieux planifier les opérations. L’entreprise a pu réaliser le potentiel de l’impression 3D avant qu’elle ne devienne une tendance aussi florissante.

Dans une citation qui remonte à 2018, Todd Goldstein, directeur du 3D Design and Innovation Center de Northwell Health, avait le suite à dire:

« L'utilisation de l'impression 3D en médecine nous permet de retirer l'anatomie du patient d'un écran d'ordinateur et de la remettre entre les mains du médecin. Ce type de technologie change la donne pour toutes les parties impliquées, car il permet aux médecins pour mieux visualiser la pathologie, permet aux patients pour vraiment voir quel traitement est nécessaire, et permet des traitements plus précis et spécifiques au patient dans presque toutes les spécialités.

En 2023, Northwell Health inscrit hausse du de 16.9 milliards de dollars américains et une marge d'EBITDA de 6.3%.

# 2. Psychonique

Une autre entreprise qui a fait un travail remarquable dans ce domaine est Psyonic. Main de capacité, Le produit phare de Psyonic, est la main bionique à détection tactile la plus rapide au monde. Promis de restaurer la vie et la mobilité là où elles étaient, PSYONIC exploite l'impression 3D pour prototyper efficacement, augmenter l'abordabilité et l'accès, et améliorer la durabilité et la résistance aux chocs. 

Psyonic a ajouté une valeur significative à sa solution en intégrant des capteurs au bout des doigts de la main bionique qui détectent la pression lorsque l'utilisateur saisit un objet et envoient une vibration au bras pour communiquer cette sensation. 

Par conséquent, l’utilisateur manuel peut ressentir l’action et travailler avec les objets les plus délicats avec facilité, confort et fluidité. Sa robustesse le rend capable de supporter des impacts contondants sans se casser. Il est également résistant à l’eau et propose une variété de modèles de préhension pour une utilisation tout au long de la journée.

Ability Hand propose 32 modèles de préhension au total, dont 19 sont prédéfinis et disponibles pour utilisation. Il est léger, pesant 490 grammes. Il est multi-articulé, avec les cinq doigts prêts à fléchir et à s'étendre, et le pouce est capable de tourner électriquement et manuellement. 

Il peut être facturé avec un USB-C en une heure. Il est compatible et fonctionne avec la plupart des systèmes de reconnaissance de formes EMG tiers, des systèmes de contrôle direct EMG, des transducteurs linéaires et des résistances sensibles à la force.

Selon les dernières informations de financement disponibles, la campagne de financement participatif de Psyonic a permis de récolter plus d'un million de dollars à ce jour.

Il ressort clairement de ces exemples de parties du corps humain imprimées en 3D que, de manière réaliste, l’impression d’organes humains en 3D n’est pas un rêve tiré par les cheveux. Bien que nous ayons déjà discuté récemment de l’une des avancées les plus importantes dans ce domaine, nous explorerons des recherches plus pertinentes pour comprendre le vaste potentiel de l’avenir.

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L’avenir de l’impression 3D : aussi proche que possible de la réalité 

L’utilisation inefficace de l’hydrogel dans le la production d’organes imprimés en 3D a une certaine histoire. A Rapport de recherche 2022 a cité l’exemple d’une équipe d’étude dirigée par le professeur Thomas Scheibel de l’Université de Bayreuth qui a réussi à produire une « bio-encre » ou un hydrogel en mélangeant de la soie d’araignée avec des cellules de fibroblastes de souris par impression 3D.

Les gels pourraient se transformer rapidement d’un état fluide à un état solide lorsqu’ils s’écoulent à travers la tête d’imprimante sur une surface d’extrusion. La connaissance a été trouvé à être utilisés dans la réplication du tissu musculaire cardiaque à l'aide d'échafaudages en soie d'araignée et de cardiomyocytes.

Un rapport de 2023 qui enquêtait de manière approfondie sur la réalité de l'utilisation de l'impression 3D pour reproduire des organes humains affirmait qu'il s'agissait d'une « réalité imminente ».. Il cite de nombreux exemples qui indiquent un avenir prometteur avec toutes les implications probables.

Par exemple, en 2022, à San Antonio, au Texas, le Dr Arturo Bonilla a pu implanter une oreille externe à une femme de 20 ans – née sans en avoir une – en construisant l’oreille droite dans la forme et la taille exactes de sa gauche. L'affaire était extrêmement cruciale car c'était le premier cas où l'oreille implantée était le produit d'une bio-imprimante 3D utilisant les cellules cartilagineuses de la femme.

Des chercheurs basés en Pologne ont également pu imprimer un prototype fonctionnel de pancréas avec un flux sanguin stable. L'expérience a été menée sur des porcs et observée pendant deux semaines. Parallèlement, des efforts visant à adapter les techniques aux poumons humains étaient également en cours. Michal Wszola, le créateur de Bionic Pancreas, et United Therapeutics Corporation ont imprimé en 3D un échafaudage pulmonaire humain avec 4,000 200 kilomètres de capillaires et XNUMX millions d'alvéoles (minuscules sacs aériens) qui pourraient échanger de l'oxygène dans des modèles animaux.

Les scientifiques du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ont développé un système mobile de bio-impression cutanée. Ils pensent que bientôt, il sera possible de faire rouler l'imprimante jusqu'au chevet d'un patient souffrant d'une plaie qui ne guérit pas, comme une brûlure, de scanner et de mesurer la zone de la plaie, et d'imprimer en 3D la peau, couche par couche, directement sur la surface de la plaie.

Le professeur Tal Dvir est directeur de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative à l'Université de Tel Aviv en Israël. Son niveau a été le fer de lance du projet d’un modèle « de la taille d’un lapin » imprimé en 3D. Cœur, qui comporte des cellules, des chambres, les principaux vaisseaux sanguins et un battement de cœur. En parlant de l'invention et de son potentiel pour l'avenir, Dvir a déclaré ce qui suit :

« Nous travaillons maintenant sur les cellules du stimulateur cardiaque, les cellules auriculaires, les cellules ventriculaires. Ça à l'air bon. Je crois que c’est l’avenir.

Les experts de la santé estiment que la capacité de la civilisation humaine à imprimer des organes en 3D aiderait à réduire la liste d'attente de 106,000 17 personnes pour un don d'organes. Chaque jour, 3 patients meurent en attendant. Pouvoir imprimer en XNUMXD des organes humains permettrait d’en sauver beaucoup vies. 

Selon Mark Skylar-Scott, professeur adjoint au département de bioingénierie de l'Université de Stanford :

"Le domaine a évolué très rapidement au cours des deux dernières décennies, depuis les vessies imprimées jusqu'aux tissus désormais hautement cellulaires dotés de vaisseaux capables de être relié à une pompe et à des modèles 3D complexes qui ressemblent à des composants cardiaques avec des cellules cardiaques intégrées.

Il est désormais presque certain que l’impression 3D d’organes humains va révolutionner nos procédures de traitement et nos systèmes de soins. Cependant, il lui faudra surmonter certains défis. 

Par exemple, il faudrait qu’il soit plus résistant au stress. La production et la fabrication devraient être plus inclusives en termes de compatibilité des matières premières. Il faudrait qu'il devienne économe en énergie pour que il peut être étendu plus rapide. 

Il faudrait se débarrasser des composés organiques volatils émis par les imprimantes 3D qui sont souvent cancérigènes et toxiques et peuvent causer de graves problèmes de santé comme des lésions d'organes, une irritation de la gorge et des nausées. Enfin, il faudrait qu’il soit rentable et abordable pour bénéficier à une grande partie de notre population sous-traitée dans le monde. 

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