L’étonnante matrice de micro-miroirs peut emboutir les tissus imprimés en 3D en seulement 30 minutes

Les chercheurs ont développé une bio-imprimante 3D à production rapide qui pourrait également accélérer le développement de nouveaux médicaments en fournissant des échantillons de tissus humains vivants en un temps record, ont-ils déclaré.

Une équipe de nano-ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) dirigé par Shaochen Chen, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering, a développé l’imprimante, qui peut produire un Gamme d’échantillons de 96 puits en 30 minutes, a-t-il déclaré. À cette vitesse, les sociétés pharmaceutiques peuvent gagner un temps considérable pendant les phases de dépistage préclinique des médicaments et de modélisation de la maladie lors du développement de nouveaux médicaments, ont déclaré les chercheurs.

La technologie s’appuie sur un projet dirigé par Chen en 2013 pour développer une plate-forme de création de tissus biologiques vivants pour la médecine régénérative. Ce travail a maintenant évolué vers la plate-forme d’impression à prototype rapide, a-t-il déclaré.

« Avec les tissus humains, vous pouvez obtenir de meilleures données – de vraies données humaines – sur le fonctionnement d’un médicament », a expliqué Chen dans un communiqué de presse. « Notre technologie peut créer ces tissus avec une capacité de débit élevée, une reproductibilité élevée et une précision élevée. Cela pourrait vraiment aider l’industrie pharmaceutique à identifier et à se concentrer rapidement sur les médicaments les plus prometteurs. »

En effet, le processus actuel d’une société pharmaceutique pour développer un nouveau médicament peut prendre jusqu’à 15 ans et coûter jusqu’à 2,6 milliards de dollars. Cela commence généralement par le dépistage de dizaines de milliers de candidats-médicaments dans des tubes à essai qui passent ensuite à des tests sur les animaux et, en cas de succès, à des essais cliniques sur l’homme. Tout cela doit se produire avant que la Food and Drug Administration (FDA) n’approuve un médicament pour une utilisation généralisée.

Avec la technologie d’impression développée par Chen et son équipe, les développeurs de médicaments peuvent rapidement créer de grandes quantités de tissus humains sur lesquels ils pourraient tester des médicaments pour éliminer les candidats et faire passer les perspectives de réussite à la phase suivante beaucoup plus tôt qu’ils ne le font actuellement, a-t-il déclaré.

Comment fonctionne la technologie

La technologie de bioimpression 3D à haut débit développée par l’équipe commence par des modèles 3D de structures biologiques qui sont créés sur un ordinateur ; ces modèles peuvent même être modélisés à partir d’analyses médicales pour un traitement personnalisé des patients, ont déclaré les chercheurs. L’ordinateur analyse ensuite les modèles en instantanés 2D et les transfère sur des millions de miroirs de taille microscopique, qui projettent des motifs de lumière violette à une longueur d’onde de 405 nanomètres, une taille sûre pour les cellules.

L’étape suivante est celle où la technologie d’impression entre en jeu, en projetant ces motifs lumineux sur une solution contenant des cultures de cellules vivantes et des polymères photosensibles qui se solidifient lors de l’exposition à la lumière. La solution bioactive est rapidement imprimée une couche à la fois de manière continue, ce qui donne un échafaudage polymère solide 3D encapsulant des cellules vivantes qui se développeront et deviendront des tissus biologiques, ont déclaré les chercheurs.

La grande vitesse de l’imprimante provient du réseau de micromiroirs à commande numérique, a expliqué Henry Hwang, doctorant en nano-ingénierie. étudiant dans le laboratoire de Chen qui a travaillé sur la technologie. Parce qu’il projette des motifs 2D entiers sur le substrat lors de l’impression couche par couche, il produit des structures 3D beaucoup plus rapidement que les autres méthodes d’impression, qui nécessitent de numériser chaque couche ligne par ligne à l’aide d’une buse ou d’un laser, a-t-il déclaré.

« Une analogie serait de comparer la différence entre dessiner une forme à l’aide d’un crayon par rapport à un tampon », a observé Hwang dans un communiqué de presse. « Avec un crayon, vous devrez dessiner chaque ligne jusqu’à ce que vous ayez terminé la forme. Mais avec un tampon, vous marquez toute cette forme d’un seul coup. C’est ce que fait le dispositif numérique à micromiroir dans notre technologie. C’est des ordres de grandeur de différence de vitesse.

Autres bénéfices

En plus de la vitesse, la technologie présente d’autres avantages pour les tests et le développement de médicaments. Bien que la plate-forme n’élimine pas complètement les tests sur les animaux controversés et que certains considèrent comme abusifs, elle pourrait minimiser les échecs au cours de cette phase de test et ainsi trouver plus rapidement des médicaments efficaces, empêchant ainsi d’autres tests à ce niveau, ont déclaré les chercheurs.

La technologie rivalise également avec d’autres méthodes de bioimpression 3D en termes de résolution en imprimant des structures réalistes avec des caractéristiques microscopiques complexes, telles que des tissus de cancer du foie humain contenant des réseaux de vaisseaux sanguins, ont-ils ajouté. Pour ce faire, cela prendrait environ 10 secondes en utilisant la technologie de Chen et de son équipe, tandis que l’impression du même échantillon prendrait des heures avec d’autres méthodes, a-t-il déclaré.

Une autre caractéristique de la technologie est la reproductibilité, ont déclaré les chercheurs. Parce que les tissus produits par la plate-forme d’impression sont des structures hautement organisées, ils peuvent être reproduits assez facilement pour un criblage à l’échelle industrielle, a noté Chen.

Cela diffère d’une approche actuelle pour cultiver des organoïdes pour le criblage de médicaments, qui a plus de variables et est limitée à des utilisations uniques, a-t-il expliqué.

« Avec les organoïdes, vous mélangez différents types de cellules et les laissez s’auto-organiser pour former une structure 3D qui n’est pas bien contrôlée et peut varier d’une expérience à l’autre », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Ainsi, ils ne sont pas reproductibles pour la même propriété, la même structure et la même fonction. Mais avec notre approche de bio-impression 3D, nous pouvons spécifier exactement où imprimer différents types de cellules, les quantités et la micro-architecture. »

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Biofabrication. Chen et un doctorat en nano-ingénierie. un ancien élève de son laboratoire, Wei Zhu, a également formé une entreprise dérivée de l’UC San Diego pour commercialiser la technologie appelée Allegro 3D Inc., qui a récemment lancé son produit phare.