Bioprinting guidé par ultrasons: une nouvelle frontière en médecine de précision

Le système de santé et médical a parcouru un long chemin au cours du siècle dernier. Au début, les humains dépendaient des plantes médicinales. Mais bien sûr, ils manquaient de cohérence et de spécificité dans l’administration du médicament.

Ensuite, les pilules et les capsules sont devenues populaires pour stocker les produits pharmaceutiques. Elles se dissolvent lorsqu’elles entrent en contact avec les fluides gastro-intestinaux, traversent la paroi intestinale, puis sont absorbées dans la circulation sanguine par les capillaires sanguins sans contrôle sur la libération du médicament. 

L’utilisation d’un revêtement sur les médicaments pour masquer leur goût amer a encore modifié le taux de libération du médicament. Au fil du temps, les matériaux de revêtement ont évolué du or et de l’argent à la perle, au sucre et aux revêtements entériques.

Le revêtement entérique est un revêtement polymère externe sur les médicaments oraux. Cette barrière empêche le médicament de se dissoudre dans l’environnement gastrique de notre estomac, permettant ainsi une libération contrôlée. D’autres avancées dans ces revêtements au fil des ans ont encore amélioré l’administration des médicaments.

Le premier thérapeutique à base de nanoparticules sous forme de conjugué polymère-médicament a été signalé dans les années 1950, tandis que la première nanotechnologie, connue sous le nom de liposome, n’a été découverte qu’au cours des années 1960. Les deux ont marqué l’origine des nanotransporteurs.

Au fil du temps, des polymères intelligents et des hydrogels ont été développés pour stabiliser les systèmes d’administration de médicaments, tandis que des efforts ont été faits pour développer des systèmes de délivrance de médicaments nanotechnologiques ciblés.

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés vers le développement réussi de dispositifs d’administration de médicaments localisés qui permettent un contrôle précis de la libération du médicament. Des techniques comme les micelles, les hydrogels, les liposomes et les nanoparticules offrent une libération soutenue d’agents thérapeutiques à des emplacements spécifiques.

Ces approches améliorent l’efficacité du traitement tout en minimisant la toxicité tissulaire en évitant la circulation systémique des agents thérapeutiques.

Les dispositifs d’administration de médicaments implantables, en particulier, délivrent efficacement les médicaments dans des régions localisées. Ces dispositifs sont fabriqués à partir de composants biocompatibles et biodégradables et peuvent être conçus pour libérer des médicaments à des dosages différents et pour une administration continue ou intermittente.

Un axe spécifique porte sur les implants tissulaires profonds non invasifs, également appelés implants intelligents ou implants peu invasifs. Ces dispositifs, conçus pour surveiller les fonctions corporelles, délivrer des médicaments ou même aider à la régénération tissulaire, sont placés dans le corps sans procédures chirurgicales importantes.

Aujourd’hui, une équipe de scientifiques du Caltech a réalisé des progrès significatifs vers l’objectif ultime de permettre aux médecins d’imprimer précisément des capsules miniatures capables de délivrer les cellules nécessaires à la réparation tissulaire à l’endroit exact, comme à l’intérieur d’un cœur qui bat.

Pour cela, ils ont construit la plateforme d’impression sonore in vivo des tissus profonds (DISP). La nouvelle technique d’impression 3D in vivo guidée par imagerie¹ a été publiée dans la revue Science.

DISP: Impression sonore guidée par imagerie pour les thérapies des tissus profonds

L’impression tridimensionnelle (3D) ou fabrication additive gagne beaucoup d’adhérence grâce à sa polyvalence, sa capacité à créer des conceptions complexes et ses options de personnalisation.

Dans ce processus de fabrication, les objets 3D sont créés à partir d’un fichier numérique en déposant des couches de matériau. Cela permet un prototypage rapide, des coûts de fabrication réduits et des produits personnalisés, ce qui a favorisé son adoption généralisée, notamment dans des domaines tels que la fabrication, la santé et même la mode.

Dans le domaine de la santé, l’impression 3D révolutionne la production d’implants médicaux. Elle est devenue un outil très précieux pour générer des implants spécifiques au patient, à la fois à l’extérieur et directement à l’intérieur du corps.

Cependant, cette promesse d’implants personnalisés se heurte aux limites liées à la nécessité de procédures chirurgicales invasives. Les implants destinés à l’intérieur du corps sont en outre restreints par le besoin de matériaux précurseurs et d’une méthode de polymérisation sûre pour une utilisation dans le corps humain, pouvant être activée avec précision depuis l’extérieur du corps. Pour résoudre ces problèmes, les scientifiques se tournent vers l’impression par ultrasons.

Par exemple, dans une étude² l’année dernière, des chercheurs de la Faculté d’ingénierie biomédicale du Technion ont présenté une technique non invasive d’impression biologique de tissus et de cellules en profondeur dans le corps grâce à une irradiation par ondes sonores externes émises par un transducteur ultrasonique externe.

Aujourd’hui, l’équipe de scientifiques du California Institute of Technology a construit une plateforme qui exploite l’impression ultrasonique guidée par imagerie, capable d’atteindre des profondeurs bien supérieures à celles des autres méthodes.

Au lieu de l’impression 3D traditionnelle, qui utilise des buses, dans cette étude, il existe des faisceaux sonores focalisés qui génèrent des pics de température contrôlés pour initier un processus similaire à l’impression.

Financée par les National Institutes of Health, l’American Cancer Society, le Heritage Medical Research Institute et le Challenge Initiative de l’UCLA, l’étude combine les ultrasons avec des liposomes à basse température (LTSLs) chargés d’agents de réticulation.

Le liposome ou vésicule lipidique est une petite structure fermée présente dans les cellules vivantes qui contient des lipides, un groupe de composés tels que les graisses, les cires, les monoglycérides et les diglycérides, qui remplissent diverses fonctions dans notre corps, notamment le stockage d’énergie, la signalisation, l’absorption des vitamines, la synthèse d’hormones et le rôle de composants structuraux des membranes cellulaires.

Ces vésicules sont utilisées dans diverses applications, notamment le ciblage de médicaments, l’administration de médicaments et les études in vitro de la dynamique des membranes cellulaires.

Les liposomes dans l’étude sont immergés dans une solution polymère contenant les monomères du polymère souhaité et la charge à délivrer, comme un médicament thérapeutique.

Le polymère est un agent de contraste d’imagerie qui se révèle lorsque la réticulation a eu lieu. Dans l’étude, des vésicules gazeuses sont utilisées à cette fin. Grâce à la surveillance en temps réel, l’imagerie ultrasonique basée sur les vésicules gazeuses (GVs) permet la création de motifs personnalisés chez les animaux vivants.

Les GVs sont des nanostructures protéiques remplies d’air qui agissent comme agents d’imagerie et thérapeutiques pour les ultrasons, l’IRM et les techniques optiques. Elles sont de plus en plus utilisées comme agents de contraste en imagerie ultrasonique grâce à leurs propriétés uniques qui leur permettent de générer un contraste non linéaire sous ultrasons. Les GVs peuvent être encodées génétiquement et modifiées, ce qui en fait des agents d’imagerie polyvalents.

L’incorporation de LTSLs chargées d’agents de réticulation dans le bio-encre permet à la nouvelle plateforme d’offrir une réticulation rapide et précise de divers biomatériaux fonctionnels à la demande en utilisant des ultrasons focalisés.

L’équipe a validé sa plateforme en imprimant avec succès près des zones cancéreuses de la vessie de souris et en profondeur dans les muscles de la patte du lapin in vivo.

En utilisant la plateforme DISP pour imprimer des polymères chargés d’un médicament chimiothérapeutique (doxorubicine) près d’une tumeur vésicale chez la souris, l’équipe a pu obtenir une mort cellulaire tumorale bien plus importante pendant plusieurs jours que chez ceux qui ont reçu le médicament par injection directe de solutions médicamenteuses.

Sécurité, précision et biocompatibilité: le potentiel clinique de DISP

L’équipe du Caltech a développé une technique d’impression 3D de polymères à des emplacements spécifiques en profondeur dans des animaux vivants. Elham Davoodi, professeure assistante en génie mécanique à l’Université de Utah, est l’auteure principale de l’étude, qu’elle a réalisée en tant que chercheuse postdoctorale au Caltech.

Cette méthode utilise le son pour la localisation. Elle a déjà été employée pour imprimer des polymères semblables à de la colle afin de sceller des blessures internes et des capsules polymères pour une administration sélective de médicaments.

Les scientifiques utilisaient auparavant la lumière infrarouge pour activer la polymérisation, le processus où de petites unités appelées monomères sont liées pour former des molécules plus grandes appelées polymères, chez les animaux vivants.

Cependant, l’infrarouge a une pénétration très limitée. « Il n’atteint que juste sous la peau », a noté Wei Gao, professeur d’ingénierie médicale au Caltech et chercheur au Heritage Medical Research Institute.

En revanche, la nouvelle technique peut atteindre les tissus profonds et peut également imprimer différents matériaux pour un large éventail d’applications tout en « maintenant une excellente biocompatibilité ».

Pour réaliser l’impression in vivo des tissus profonds, l’équipe s’est tournée vers les ultrasons, une plateforme largement utilisée en biomédecine à cette fin.

Mais ils avaient besoin d’un moyen d’activer la liaison des monomères, ou réticulation, à un endroit précis et uniquement lorsque souhaité.

Ainsi, l’équipe a introduit une nouvelle méthode, combinant les ultrasons avec des (LTSLs) chargées d’agents de réticulation puis incorporées dans une solution polymère contenant des monomères polymères et la charge. D’autres composants, comme des cellules et des matériaux conducteurs tels que l’argent ou les nanotubes de carbone, peuvent également être inclus ici. L’encre biologique résultante a ensuite été injectée directement dans le corps.

Maintenant, pour initier l’impression, les scientifiques ont utilisé des ultrasons focalisés, qui ont augmenté la température dans une zone ciblée de quelques (environ 5) degrés. Cela provoque la libération du contenu des liposomes, permettant ainsi le début de l’impression polymère à un endroit précis. Selon Gao:

« Augmenter la température de quelques degrés Celsius suffit pour que la particule de liposome libère nos agents de réticulation. Là où les agents sont libérés, c’est là que la polymérisation ou l’impression localisée se produira. »

Les vésicules gazeuses, dérivées de bactéries et utilisées ici comme agent de contraste d’imagerie, nous indiquent que tout fonctionne comme prévu en apparaissant fortement dans l’imagerie ultrasonique. Elles sont sensibles aux changements chimiques qui se produisent lorsque la solution de monomère liquide se réticulise pour créer un réseau de gel.

Lorsque la transformation se produit, les vésicules changent de contraste, ce qui est identifié par l’imagerie ultrasonique. Cela permet aux scientifiques de détecter facilement quand et précisément où la réticulation de la polymérisation a eu lieu, leur permettant de modifier les motifs imprimés chez les animaux vivants.

En plus des gels et polymères bioadhésifs, l’étude détaille également l’utilisation de la technique pour imprimer des hydrogels bioélectriques, des polymères avec des matériaux conducteurs intégrés utilisés pour la surveillance interne des signes vitaux physiologiques.

Aujourd’hui, la validation de la plateforme DISP à travers des expériences réussies chez la souris et le lapin, sans aucun signe d’inflammation ou de dommage tissulaire, met en évidence le potentiel de la plateforme pour l’administration localisée de médicaments, le remplacement tissulaire et la bioélectronique. Le corps éliminant l’encre non polymérisée en une semaine souligne davantage le profil de sécurité de la plateforme.

De plus, sa capacité à imprimer des matériaux chargés de cellules, de médicaments, bioadhésifs et conducteurs montre sa polyvalence pour diverses applications médicales. Mais bien sûr, pour qu’elle soit traduite en usage clinique, la plateforme nécessite des améliorations supplémentaires.

« C’est une nouvelle direction de recherche dans le domaine du bioprinting. Notre prochaine étape est d’essayer d’imprimer dans un modèle animal plus grand et, espérons-le, dans un avenir proche, nous pourrons évaluer cela chez l’homme. »

– Gao

L’équipe vise à améliorer la capacité de la plateforme DISP à se localiser précisément et à appliquer des ultrasons focalisés grâce à l’apprentissage automatique.

« À l’avenir, avec l’aide de l’IA, nous aimerions pouvoir déclencher de façon autonome une impression haute précision au sein d’un organe en mouvement tel qu’un cœur qui bat. »

– Gao

Investir dans l’impression 3D biologique

Un acteur précoce de l’industrie de l’impression 3D, 3D Systems (DDD ) est l’un des noms majeurs à surveiller alors que cet espace évolue. L’entreprise fournit des solutions complètes d’impression 3D et de fabrication numérique, incluant des imprimantes 3D pour métaux, matériaux et plastiques, des logiciels et des services. Des laboratoires dentaires aux fabricants automobiles, en passant par les concepteurs de semi-conducteurs et les fabricants de dispositifs médicaux, elle conçoit des logiciels et développe des imprimantes pour toutes sortes d’industries et de matériaux.

3D Systems (DDD )

3S Systems opère à travers deux segments: Solutions de santé, qui desservent le dentaire, la médecine régénérative, les dispositifs médicaux et les services de santé personnalisés, et Solutions industrielles, qui desservent le transport, l’aérospatiale, la défense et la fabrication générale. 

En 2021, elle a acquis Allevi pour élargir son initiative de médecine régénérative en accélérant la croissance dans les laboratoires de recherche pharmaceutique. Comme l’entreprise le note sur son site web, l’impression 3D biologique a fait progresser le développement de modèles précliniques sans animaux et la modélisation de maladies en 3D grâce à des conceptions itératives de bioprint et à sa capacité de reproduire la biologie humaine in vivo.

La même année, elle a également acquis Additive Works GmbH, une société logicielle allemande, pour élargir ses capacités de simulation afin d’optimiser rapidement les processus d’impression 3D à l’échelle industrielle.

Les actions de l’entreprise se négocient actuellement à 1,94 $, en baisse de 22,26 % depuis le début de l’année. À ce niveau de prix, les actions de 3D Systems ont connu une forte baisse par rapport à leur pic d’environ 48,60 $, atteint au début de 2021, comme de nombreuses autres actions du marché.

3D Systems a atteint une capitalisation boursière de 345,6 millions de dollars, et son BPA (TTM) est de -1,93, et son PER (TTM) est de -1,32.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, elles montrent que au premier trimestre 2025, 3D Systems a enregistré un chiffre d’affaires de 94,5 millions de dollars, soit une baisse de 8 % par rapport au même trimestre de l’année précédente en raison de ventes de matériaux plus faibles.

Le chiffre d’affaires des Solutions de santé s’élevait à 41,3 millions de dollars, tandis que les Solutions industrielles représentaient 53,2 millions de dollars.

Cela, a déclaré le PDG Dr Jeffrey Graves, reflète « une poursuite des pressions difficiles sur le chiffre d’affaires, de nombreux clients retardant leurs investissements en capital » afin d’obtenir une meilleure clarté sur les impacts potentiels des tarifs, en plus de l’incertitude géopolitique et macroéconomique persistante.

La marge brute pour la période était de 34,6 %, et la marge brute non GAAP était de 35 % en raison de volumes plus faibles et de prix défavorables. La perte nette, quant à elle, était de 37 millions de dollars. À la fin mars 2025, sa trésorerie et ses équivalents de trésorerie s’élevaient à 135 millions de dollars, et la dette totale, nette des coûts de financement différés, était de 212,3 millions de dollars.

Cependant, l’entreprise travaille sur une initiative d’économies de 50 millions de dollars, qui sera terminée d’ici mi‑2026. Elle prévoit également d’atteindre le seuil de rentabilité sur une base EBITDA au dernier trimestre de cette année.

De plus, son bilan s’est renforcé grâce à la vente du portefeuille Geomagic, apportant une augmentation post‑impôt de plus de 100 millions de dollars aux réserves de trésorerie, atteignant 250 millions de dollars au 30 avril 2025.

Les aspects positifs de 3D Systems en tant qu’option d’investissement sont que l’entreprise observe une croissance constante sur les marchés aérospatial et défense, et que ses systèmes matériels les plus récents ont enregistré une hausse des ventes. De plus, l’infrastructure IA est un autre domaine sur lequel 3D Systems se concentre pour stimuler son progrès.

« Notre préservation délibérée des investissements en R&D au cours des dernières années a engendré une vague importante d’introduction de nouvelles technologies à travers l’ensemble de notre portefeuille de produits, incluant à la fois nos plateformes polymères et métalliques. »

– Gravel

Il a noté que, bien que cela affecte négativement la rentabilité à court terme, un fort intérêt des clients signifie « que nos nouveaux systèmes sont de plus en plus privilégiés pour la fabrication de composants de haute qualité/fiabilité, pour des applications à l’intérieur du corps humain et dans les systèmes industriels avancés. » Plusieurs nouveaux produits entrent maintenant dans la phase critique de commercialisation.

Cette année, jusqu’à présent, 3D Systems a collaboré avec le principal constructeur de véhicules commerciaux Daimler Truck (DTG.DE ) pour faciliter l’impression à distance de pièces de rechange. L’impression à la demande vise à surmonter les goulets d’étranglement de la chaîne d’approvisionnement et à réduire le délai de livraison de 75 %.

Ses résines d’impression 3D NextDent, validées cliniquement, couvrent désormais plus de 30 applications, notamment celles axées sur la réparation des dents. L’entreprise a également annoncé le premier implant facial en PEEK imprimé en 3D dans le cadre de sa solution de fabrication additive au point de soin, en partenariat avec l’Hôpital universitaire de Bâle.

Lors d’un événement récent, 3D Systems a également présenté plusieurs nouveaux produits, tels que QuickCast® Diamond™ et PSLA 270, ainsi qu’un nouveau module pour les imprimantes d’extrusion de granulés EXT Titan grand format. Elle a également introduit une imprimante 3D Figure 4® 135 à haut débit et haute précision et le matériau Figure 4 Tough 75C FR Black afin de réduire le coût de la fabrication à faible volume et à grande variété.

Dernières nouvelles sur 3D Systems

Conclusion

Le système de santé a connu une transformation massive au cours des dernières décennies. Ce passage des concoctions à base de plantes à la nanomédecine sophistiquée montre que l’évolution de l’administration des médicaments a été marquée par l’innovation technologique. 

Aujourd’hui, la dernière avancée des scientifiques du Caltech représente un pas remarquable dans le domaine de la révolution médicale. En utilisant les mêmes ondes sonores qui sont actuellement employées pour examiner l’intérieur du corps à des fins d’imagerie, la plateforme DISP peut pénétrer beaucoup plus profondément dans les tissus. Un mélange sur mesure de solution (bioencre) et de transducteur à ultrasons focalisés (FUS) permet, quant à lui, une impression précise.

À mesure que la technologie progresse vers des modèles animaux plus grands et des essais humains, DISP, grâce à sa biocompatibilité, sa précision et son adaptabilité, promet de redéfinir l’administration de médicaments et la guérison interne.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions d’impression 3D biologique.

Études référencées:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Impression sonore in vivo des tissus profonds guidée par imagerie. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Polymérisation médiée par ultrasons pour la délivrance de cellules, la délivrance de médicaments et l’impression 3D. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197