Fabrication additive
Impression 3D d’organes humains – à quel point est-elle réaliste ?
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Le monde de l’impression 3D se développe à un rythme nettement rapide. la taille du marché mondial de l’impression 3D—produits et services—triplera entre 2020 et 2026. évalué à 12,6 milliards de dollars en 2020, le marché pourrait dépasser 37 milliards de dollars d’ici 2026.
L’essor du marché des applications est solidement soutenu par l’espace où l’innovation se produit — tant au niveau des institutions que des entreprises. De grandes entreprises technologiques américaines, par exemple, ont été très actives dans l’impression 3D — comme le montre le nombre de brevets qu’elles ont publiés depuis 2010. General Electrics, par exemple, a publié pas moins de 342 brevets 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, beaucoup se sont demandé, ‘À quel point est‑ce réaliste ?’
Récemment, une expérience réussie a montré à quel point cela pourrait potentiellement être lorsqu’une équipe de recherche de l’University of Virginia School of Engineering and Applied Science a développé ce qui pourrait être le modèle des premiers blocs de construction pour des organes compatibles avec l’homme imprimés à la 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 dirigée par Liheng Cai et Jinchang Zhu. Liheng Cai est professeur adjoint en science et génie des matériaux ainsi qu’en génie chimique, et Jinchang Zhu est son Ph.D. doctorant.
La méthode de bioprinting qu’ils ont suivie s’appelle Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Cette technique dépose des particules de biomatériau dans une matrice de soutien à base d’eau pour construire des structures 3D offrant un environnement propice à la croissance des cellules.
En publiant leurs résultats dans la revue Nature Communications, les scientifiques ont intitulé le rapport ‘Impression voxelisée de gouttelettes d’encre bio à double réseau modulaires.’ 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.
En expliquant 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 l’un des blocs de construction de base pour nos futures structures d’impression. »
Dans sa tentative d’être plus précis pour l’utilisateur moyen, Zhu a souligné les qualités remarquables de leur technique comparée à d’autres méthodes de bioprinting. Il a insisté sur l’élément de ‘Control’ dans leur technologie, ce qui a rendu possible l’impression d’organoïdes.
Ces organoïdes n’étaient rien d’autre que des modèles cellulaires 3D pouvant fonctionner comme des tissus humains. Ils pourraient être exploités pour étudier la progression des maladies dans notre quête toujours croissante de remèdes.
Un grand bond comparé aux technologies de bioprinting existantes
Zhu a qualifié leur innovation de ‘big leap’ comparé aux technologies de bioprinting existantes parce qu’elle était ‘sturdy and cell-friendly.’ Les particules d’hydrogel polymère utilisées dans l’expérience pouvaient imiter les tissus humains en ajustant l’arrangement et les liaisons chimiques des monomères à molécule unique, qui s’assemblent en chaînes pour former des réseaux.
En comparaison avec d’autres solutions similaires, la solution proposée par Cai et Zhu s’est avérée moins toxique et plus biocompatible.
L’équipe a également réalisé des améliorations significatives dans l’utilisation du bioprinter. La buse multicanal qu’ils ont conçue pouvait mélanger les composants d’hydrogel à la demande. Elle a aidé à résoudre le problème du réticulation ultra-rapide, qui transformait les gouttelettes liquides en gel élastique gonflé d’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 suspendant immédiatement. En quelque sorte, elle résout un problème central du domaine de la science de la matière molle et du bioprinting 3D: la manipulation précise des voxels viscoélastiques. En résumant la réalisation, Cai a déclaré:
« Nous avons maintenant posé les bases du bioprinting voxelisé. Une fois pleinement réalisé, les applications du DASP incluront la transplantation d’organes artificiels, la modélisation de maladies et de tissus, et le dépistage de candidats pour de nouveaux médicaments. Et cela ne s’arrêtera probablement pas là. »
Comme nous l’avons déjà vu, les innovations autour du bioprinting 3D sont en cours depuis longtemps. Il est donc 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 affirme être ‘100 % dévouée à être le premier système de santé à imprimer en 3D votre cure’. L’une des interventions les plus cruciales de Northwell Health dans ce domaine a été dans les prothèses.
L’entreprise a imprimé en 3D une prothèse 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 l’utilisation de matériaux en fibre de carbone de pointe et l’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, axée sur la résistance et la flexibilité. De plus, sa durabilité la rend adaptée à une utilisation sur terre et dans l’eau.
La nageoire présentait une dynamique de matériau unique. Elle comportait des trous en forme conique pouvant contrôler la quantité d’eau qui la traversait. La conception et la disposition des trous permettaient une traînée et une propulsion naturelles dans l’eau. Le nombre de trous était ajustable aux besoins spécifiques de l’amputé.
Northwell Health est depuis longtemps un pionnier dans le développement de modèles détaillés imprimés en 3D de parties du corps pour aider les chirurgiens à mieux planifier les opérations. L’entreprise a pu percevoir le potentiel de l’impression 3D avant qu’elle ne devienne une tendance florissante.
Dans une citation datant de 2018, Todd Goldstein, directeur du 3D Design and Innovation Center chez Northwell Health, a déclaré ce qui suit :
« L’utilisation de l’impression 3D en médecine nous permet de retirer l’anatomie des patients d’un écran d’ordinateur et de la mettre entre les mains du médecin. Ce type de technologie est un changement de jeu pour toutes les parties impliquées, car il permet aux médecins de mieux visualiser la pathologie, aux patients de voir réellement le traitement nécessaire, et permet des traitements plus précis et spécifiques au patient dans presque toutes les spécialités. »
En 2023, Northwell Health a enregistré un chiffre d’affaires de 16,9 milliards de dollars et une marge EBITDA de 6,3 %.
#2. Psyonic
Une autre entreprise qui réalise 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. Promettant de restaurer la vie et la mobilité là où elles étaient, PSYONIC exploite l’impression 3D pour prototyper efficacement, augmenter l’accessibilité et la rentabilité, et améliorer la durabilité et la résistance aux impacts.
Psyonic a ajouté une valeur significative à sa solution en incorporant des capteurs dans les bouts des doigts de la main bionique qui détectent la pression lorsque le porteur saisit 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 aisance, confort et fluidité. Sa robustesse lui permet de supporter des impacts de force brute sans se casser. Elle est également résistante à l’eau et propose une variété de modes de préhension pour une utilisation tout au long de la journée.
Ability Hand propose au total 32 modes de préhension, dont 19 sont prédéfinis et disponibles. Elle est légère, pesant 490 grammes. Elle est multi-articulée, avec les cinq doigts prêts à se fléchir et s’étendre, et le pouce capable de pivoter électriquement et manuellement.
Elle peut être chargée via USB‑C en une heure. Elle est compatible avec la plupart des systèmes tiers de reconnaissance de motifs EMG, des systèmes de contrôle direct EMG, des transducteurs linéaires et des résistances sensibles à la force.
Selon les dernières informations disponibles sur le financement, la campagne d’equity participatif de Psyonic a levé plus d’un million de dollars à ce jour.
Ces exemples d’organes humains imprimés en 3D montrent qu’en réalité, l’impression 3D d’organes humains n’est pas un rêve lointain. Bien que nous ayons déjà abordé l’une des percées les plus importantes dans ce domaine récemment, nous explorerons davantage de recherches pertinentes pour comprendre le vaste potentiel du futur.
L’avenir de l’impression 3D: aussi proche de la réalité que possible
L’utilisation inefficace de l’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 dirigée par le professeur Thomas Scheibel à l’Université de Bayreuth qui a réussi à produire un « bio‑encre » ou hydrogel en mélangeant de la soie d’araignée avec des cellules de fibroblastes de souris via l’impression 3D.
Les gels pouvaient se transformer rapidement d’un état fluide à un état solide lorsqu’ils traversaient la tête d’impression vers une surface d’extrusion. La connaissance a été trouvée pour être utilisée dans la réplication de tissu musculaire cardiaque en utilisant des échafaudages de soie d’araignée et des cardiomyocytes.
Un rapport de 2023 qui a étudié de manière exhaustive la réalité de l’utilisation de l’impression 3D pour reproduire des organes humains affirmait qu’il s’agissait d’une ‘réalité imminente’. Il citait de nombreux exemples indiquant un avenir prometteur dans toutes les implications possibles.
Par exemple, en 2022, à San Antonio, 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 avec la forme et la taille exactes de son oreille gauche. Le cas était extrêmement important car il s’agissait de la première fois où l’oreille implantée était le produit d’une bioprinter 3D utilisant les cellules cartilagineuses 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. Parallèlement, des efforts pour adapter les techniques aux poumons humains étaient également en cours. Michal Wszola, le créateur du Pancréas Bionique, et United Therapeutics Corporation (UTHR ) ont imprimé en 3D un échafaudage pulmonaire humain avec 4 000 kilomètres de capillaires et 200 millions d’alvéoles (petits sacs d’air) capables d’échanger l’oxygène dans des modèles animaux.
Les scientifiques du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ont développé un système de bioprinting cutané mobile. Ils estiment que bientôt il sera possible d’amener l’imprimante directement au chevet d’un patient souffrant d’une plaie qui ne guérit pas, comme une brûlure, de scanner et mesurer la zone de la plaie, puis d’imprimer en 3D 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. Il a dirigé le projet d’un cœur imprimé en 3D de taille « lapin », cœur, qui possède des cellules, des cavités, les principaux vaisseaux sanguins et un battement de cœur. En parlant de l’invention et de son potentiel pour le futur, Dvir a déclaré:
« Nous travaillons maintenant sur les cellules du pacemaker, les cellules atriales, les cellules ventriculaires. Cela semble prometteur. Je crois que c’est l’avenir. »
Les experts en santé estiment que la capacité de la civilisation humaine à imprimer en 3D des organes aiderait à réduire la liste d’attente de 106 000 personnes pour les dons d’organes. Chaque jour, 17 patients meurent en attendant. Pouvoir imprimer en 3D des organes humains sauverait de nombreuses vies.
Selon Mark Skylar-Scott, professeur adjoint au département de bioingénierie de l’Université Stanford:
« Le domaine a progressé très rapidement au cours des deux dernières décennies, passant des vessies imprimées à aujourd’hui des tissus hautement cellulaires avec des vaisseaux pouvant être connectés à une pompe — et des modèles 3D complexes ressemblant à des composants cardiaques avec des cellules cardiaques intégrées. »
Il est désormais 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 devrait être plus résistante au stress. La production et la fabrication devraient être plus inclusives en termes de compatibilité des matières premières. Elle devrait devenir écoénergétique afin que elle puisse être mise à l’échelle plus rapidement.
Elle devrait éliminer les composés organiques volatils émis par les imprimantes 3D, souvent cancérigènes et toxiques, pouvant causer de graves problèmes de santé tels que des lésions d’organes, des irritations de la gorge et des nausées. Enfin, elle devrait être rentable et abordable afin de bénéficier à une grande partie de notre population sous‑traitée à l’échelle mondiale.
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