Fabrication additive
Imprimer des organes humains en 3D – Quel est le degré de réalisme ?
Le monde de l’impression 3D se développe à un rythme significativement rapide. Les estimations suggèrent que la taille du marché mondial de l’impression 3D—produits et services—augmentera trois fois 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 abondamment soutenu par l’espace où l’innovation se produit—à la fois au niveau des institutions et des entreprises. Les grandes entreprises de technologie américaines, par exemple, ont été très actives dans le domaine de l’impression 3D—as evident from the number of brevets qu’elles ont publiés depuis 2010. General Electrics, par exemple, a publié autant que 342 brevets entre 2010 et 2019.
Cependant, le domaine de l’impression 3D a toujours été confronté à la question cruciale de l’applicabilité dans la vie réelle. Alors qu’il a toujours été un espace scientifiquement excitant et attirant à explorer, beaucoup se sont demandé, « Quel est le degré de réalisme ? »
Récemment, une expérience réussie a montré à quel point cela pourrait potentiellement être réaliste lorsque une équipe de recherche à la University of Virginia School of Engineering and Applied Science a développé ce qui pourrait être le modèle pour les premiers blocs de construction pour des organes compatibles avec l’homme imprimés sur demande. Dans la section suivante, nous examinerons l’expérience et ce qu’elle a accompli en détail.
Biomatériaux avec des propriétés mécaniques contrôlées correspondant à celles de divers tissus humains
L’expérience a été menée par Liheng Cai et Jinchang Zhu. Liheng Cai est professeur adjoint de science des matériaux et de génie chimique, et Jinchang Zhu est son étudiant de doctorat.
La méthode de biimpression 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 qui offrent un environnement propice à la croissance des cellules.
En publiant leurs résultats dans la revue Nature Communications, les scientifiques ont nommé le rapport « Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets. » Le terme Voxel provient du fait que le processus d’impression suit la façon dont les « voxels »—la version 3D des pixels—construisent des objets 3D.
Alors qu’il expliquait la percée que leur recherche a apportée à la communauté scientifique, Jinchang Zhu a déclaré :
« 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 servir de bloc de construction de base pour nos futurs constructs imprimés. »
Dans sa tentative d’être plus spécifique pour l’utilisateur commun, Zhu a mis en évidence les qualités exceptionnelles de leur technique par rapport à d’autres méthodes de biimpression. Il a souligné l’élément de « contrôle » dans leur technologie, qui a rendu possible l’impression d’organoides.
Ces organoides n’étaient rien d’autre que des modèles de cellules 3D qui pouvaient fonctionner comme des tissus humains. Ils pourraient être utilisés pour étudier la progression des maladies dans notre quête constante de remèdes.
Un grand bond par rapport aux technologies de biimpression existantes
Zhu a qualifié leur innovation de « grand bond » par rapport aux technologies de biimpression existantes car elle était « solide et amicale pour les cellules ». Les particules d’hydrogel de polymère utilisées dans l’expérience pouvaient imiter les tissus humains en ajustant l’arrangement et les liaisons chimiques de monomères à molécule unique, qui se lient ensemble en chaînes pour former des réseaux.
Par rapport à d’autres solutions similaires, la solution offerte par Cai et Zhu s’est également avérée moins toxique et plus biocompatible.
L’équipe a également réalisé des améliorations significatives dans l’utilisation de la biimprimante. La buse multicanal qu’ils ont conçue pouvait mélanger les composants d’hydrogel sur demande. Cela a aidé à résoudre le défi posé par la liaison croisée super-rapide, qui transforme les gouttes liquides en gel élastique gonflé d’eau dans les 60 secondes.
La technique DASP élimine ce goulet d’étranglement en déposant de grosses gouttes d’une buse étroite et rapide dans la matrice, les suspendant immédiatement. D’une certaine manière, cela résout un problème fondamental dans l’espace de la science des matières molles et de la biimpression 3D : la manipulation précise des voxels viscoélastiques. En résumant la réalisation, Cai a déclaré :
« Nous avons maintenant posé les fondements de la biimpression voxelisée. Lorsqu’elle sera pleinement réalisée, les applications de la DASP incluront la transplantation d’organes artificiels, la modélisation des tissus et des maladies, et le dépistage des candidats pour de nouveaux médicaments. Et cela ne s’arrêtera probablement pas là. »
Comme nous l’avons déjà vu, les innovations autour de la biimpression 3D sont en cours depuis longtemps. Par conséquent, il est tout à fait évident que de nombreuses entreprises réputées ont adopté cette technologie. Dans les sections suivantes, nous examinerons deux entreprises qui ont facilité cet espace dans la science médicale et la technologie de santé.
#1. Northwell Health
L’entreprise prétend être « 100 % dédiée 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.
L’entreprise a imprimé en 3D un membre prothétique amphibie. La solution est une nageoire qui permet à l’amputé d’entrer et de sortir de l’eau sans changer de prothèse.
Les avantages de la nageoire incluent son utilisation de matériaux de fibre de carbone de pointe et son exploitation d’une forme ergonomique pour assurer un mouvement durable et efficace. Northwell a utilisé du nylon renforcé de fibre de carbone pour imprimer la nageoire, qui était tout à propos de la force et de la flexibilité. De plus, sa durabilité la rendait adaptée à une utilisation sur terre et dans l’eau.
La nageoire avait une dynamique de matériau unique. Elle présentait des trous coniques qui pouvaient contrôler la quantité d’eau qui passait à travers. La conception et l’agencement des trous permettaient un traînage naturel et une propulsion dans l’eau. Le nombre de trous était ajustable aux besoins spécifiques de l’amputé.
Northwell Health a longtemps été un champion dans le développement de modèles de pièces 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’il ne devienne une tendance si prospère.
Dans une citation qui remonte à 2018, Todd Goldstein, directeur du 3D Design and Innovation Center à Northwell Health, a déclaré :
« L’utilisation de l’impression 3D en médecine nous permet de sortir l’anatomie du patient de l’écran d’ordinateur et de la mettre dans les mains du médecin. Cette technologie est un changement de jeu pour toutes les parties impliquées, car elle permet aux médecins de mieux visualiser la pathologie, permet aux patients de vraiment voir quel traitement est nécessaire, et permet des traitements plus précis et spécifiques aux patients dans presque toutes les spécialités. »
En 2023, Northwell Health a enregistré un chiffre d’affaires de 16,9 milliards de dollars américains et une marge d’EBITDA de 6,3 %.
#2. Psyonic
Une autre entreprise qui a réalisé un travail remarquable dans ce domaine est Psyonic. Ability Hand, le produit phare de Psyonic, est la main bionique la plus rapide et la première à détecter le toucher au monde. Promettant de restaurer la vie et la mobilité à leur niveau précédent, Psyonic utilise l’impression 3D pour prototyper efficacement, augmenter l’accessibilité et la durabilité, et améliorer la résistance aux chocs.
Psyonic a ajouté une valeur significative à sa solution en incorporant des capteurs dans les doigts de la main bionique qui détectent la pression lorsqu’il tient un objet et envoient une vibration au bras pour communiquer cette sensation.
Par conséquent, l’utilisateur de la main peut ressentir l’action et travailler avec les objets les plus délicats avec facilité, confort et fluidité. Sa solidité le rend capable de résister à un impact brutal sans se briser. Il est également résistant à l’eau et propose une variété de motifs de prise pour une utilisation tout au long de la journée.
Ability Hand offre 32 motifs de prise au total, dont 19 sont prédéfinis et disponibles pour une utilisation. Il est léger, pesant 490 grammes. Il est multi-articulé, avec cinq doigts prêts à se flexer et à s’étendre, et le pouce est capable de pivoter électriquement et manuellement.
Il peut être chargé avec un USB-C en une heure. Il est compatible avec la plupart des systèmes de reconnaissance de modèles EMG tiers, des systèmes de contrôle EMG directs, des transducteurs linéaires et des résistors sensibles à la force.
Selon les dernières informations de financement disponibles, la campagne de financement par équité de Psyonic a levé plus de 1 million de dollars à ce jour.
Il est évident, à partir de ces exemples de pièces du corps humain imprimées en 3D, que, de manière réaliste, l’impression 3D d’organes humains n’est pas un rêve lointain. Alors que nous avons déjà discuté de l’une des percées les plus importantes dans ce domaine récemment, nous allons explorer d’autres recherches pertinentes pour comprendre le vaste potentiel de l’avenir.
L’avenir de l’impression 3D : aussi proche de la réalité que possible
L’utilisation inefficace d’hydrogel dans la production d’organes imprimés en 3D a une certaine histoire. Un rapport de recherche de 2022 a cité l’exemple d’une équipe d’étude dirigée par le professeur Thomas Scheibel à l’Université de Bayreuth, qui a réussi à produire un « bio-encré » ou un hydrogel en mélangeant de la soie d’araignée avec des cellules de fibroblastes de souris à l’aide de l’impression 3D.
Les gels pouvaient se transformer rapidement d’un état fluide à un état solide lorsqu’ils coulaient à travers la tête d’impression sur une surface d’extrusion. Les connaissances ont été trouvées pour être utilisées pour reproduire le tissu musculaire cardiaque à l’aide de squelettes de soie d’araignée et de cardiomyocytes.
Un rapport de 2023 qui a examiné de manière exhaustive la réalité de l’utilisation de l’impression 3D pour reproduire des organes humains a affirmé qu’il s’agissait d’une « réalité à venir ».
Par exemple, en 2022, à San Antonio, au Texas, le Dr Arturo Bonilla a pu implanter une oreille externe sur une femme de 20 ans—née sans oreille—en construisant l’oreille droite dans la forme et la taille exactes de son oreille gauche. Le cas était extrêmement crucial car il s’agissait de la première instance où l’oreille implantée était le produit d’une biimprimante 3D utilisant les cellules de cartilage de la femme.
Des chercheurs basés en Pologne ont également pu imprimer un prototype fonctionnel d’un pancréas avec un flux sanguin stable. L’expérience a été menée sur des porcs et observée pendant deux semaines. Pendant ce temps, des efforts pour adapter les techniques aux poumons humains étaient également en cours. Michal Wszola, le créateur du pancréas bionique, et United Therapeutics Corporation ont imprimé en 3D un squelette de poumon humain avec 4 000 kilomètres de capillaires et 200 millions d’alvéoles (petits sacs aériens) qui pouvaient échanger de l’oxygène dans des modèles animaux.
Les scientifiques de l’Institut de médecine régénérative de Wake Forest ont développé un système de biimpression de peau portable. Ils croient que bientôt, il sera possible de faire rouler l’imprimante jusqu’au chevet d’un patient souffrant d’une plaie non cicatrisante, telle qu’une brûlure, de scanner et de mesurer la surface de la plaie, et d’imprimer la peau, couche par couche, directement sur la surface de la plaie.
Le professeur Tal Dvir est le directeur de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative à l’Université de Tel-Aviv en Israël. Son équipe a mené le projet d’un « cœur de la taille d’un lapin » imprimé en 3D, qui a des cellules, des chambres, les principaux vaisseaux sanguins et un battement cardiaque. Alors qu’il parlait de l’invention et de son potentiel pour l’avenir, Dvir a déclaré :
« Nous travaillons maintenant sur les cellules du pacemaker, les cellules atriales, les cellules ventriculaires. Cela a l’air bien. Je crois que c’est l’avenir. »
Les experts en santé croient que la capacité de l’humanité à imprimer des organes en 3D aiderait la liste d’attente de 106 000 personnes pour des dons d’organes. Chaque jour, 17 patients meurent pendant qu’ils attendent. Être capable d’imprimer des organes humains en 3D sauverait de nombreuses 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, des vésicules imprimées à des tissus hautement cellulaires avec des vaisseaux qui peuvent être connectés à une pompe—and des modèles 3D complexes qui ressemblent à des composants cardiaques avec des cellules cardiaques intégrées. »
Il est maintenant presque certain que l’impression 3D d’organes humains révolutionnera nos procédures de traitement et nos systèmes de soins. Cependant, elle devra surmonter certains défis.
Par exemple, elle devra être plus résistante aux contraintes. La production et la fabrication devront être plus inclusives en termes de compatibilité des matières premières. Elle devra devenir plus économe en énergie afin de pouvoir être mise à l’échelle plus rapidement.
Elle devra éliminer les composés organiques volatils émis par les imprimantes 3D qui sont souvent cancérigènes et toxiques et peuvent causer de graves problèmes de santé, tels que des lésions d’organes, des irritations de la gorge et des nausées. Enfin, elle devra être rentable et abordable pour bénéficier d’une grande partie de notre population sous-traitée dans le monde.
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