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Les progrès rapides des technologies d’impression 3D ont laissé entrevoir la possibilité d’imprimer directement des tissus denses comme des organes et denses aux cellules à l’aide d’encres vivantes – combinaisons de cellules et de matériaux polymères. Lorsque les encres vivantes sont placées dans des conditions physiologiques, les cellules exercent des forces mécaniques sur la matrice polymère et modifient de manière dynamique la forme et les propriétés mécaniques de l'encre. Pour faciliter le développement de l'impression 3D destinée à l'ingénierie tissulaire, il est nécessaire de comprendre quantitativement les propriétés des encres vivantes, afin de pouvoir prévoir l'évolution de leurs formes, voire leur maîtrise, une fois mises en culture.,.
, Morley et al. fournir l'une des descriptions quantitatives les plus complètes à ce jour d'une encre vivante et de ses propriétés mécaniques. Leurs découvertes jettent les bases de la bioimpression 4D, un processus dans lequel les biomatériaux imprimés pourraient être guidés à travers une série d'étapes morphogénétiques (processus biologiques modifiant la forme de l'objet imprimé) qui convergent vers une forme finale fonctionnellement et structurellement avancée.
Les imprimantes 3D les plus largement utilisées sont des dispositifs basés sur l'extrusion, dans lesquels l'encre est poussée à travers une buse pour former un filament ayant un diamètre et une géométrie particuliers.,. Les ingénieurs en tissus ont mis au point des suspensions de microparticules dans lesquelles des matériaux mous, tels que des mélanges de cellules et de composants de la matrice extracellulaire (MEC, le «mortier» qui lie les cellules dans les tissus), peuvent être imprimés en 3D. Le lisier empêche l'effondrement des éléments structurels résultants sous l'effet de la gravité,. Dans leurs expériences, Morley et al. a utilisé une technique d'impression à forme libre pour extruder des filaments d'une encre vivante en une suspension formée de microparticules polymères qui se transforme en un fluide lorsque la tête d'impression se déplace dans le support.
L'encre vivante était constituée de fibroblastes vivants (les cellules que l'on trouve le plus souvent dans le tissu conjonctif chez les animaux) et de la protéine ubiquitaire ECM, le collagène-1, qui fournissait un matériau de matrice auquel les fibroblastes pouvaient se fixer et provoquer la contraction. Les filaments imprimés avaient une gamme de géométries et différentes compositions de fibroblastes et de collagène-1. Les auteurs ont utilisé les filaments comme modèles du bloc de construction le plus simple d'un tissu imprimé – semblable à un faisceau unique dans la structure de soutien (structure) d'un bâtiment.
Morley et al. ont mesuré les modifications de la géométrie du filament dépendantes du temps survenues après l'impression, lorsque les cellules appliquaient une traction sur le collagène-1 et remodelaient la structure de la matrice. En modifiant systématiquement l’épaisseur et la longueur des filaments, ainsi que leur composition en collagène-1 et en cellules, les auteurs ont obtenu une compréhension globale du comportement mécanique des filaments de matériau vivant. Bien que l'étude se soit limitée à des géométries de filaments simples, les données obtenues pourraient, en principe, être ajustées à des modèles mécaniques décrivant la déformation de tissus présentant des géométries et des motifs de filament plus complexes.
Dans une série d'expériences clés, les auteurs ont observé quatre types de comportement des filaments sous traction cellulaire qui peuvent être expliqués quantitativement en termes de propriétés matérielles des filaments et de rigidité de la suspension de microparticules (Fig. 1). Dans les boues de microparticules peu rigides, les filaments se courbent pour donner des formes en forme d’ondes qui soulagent les contraintes internes appliquées par les cellules. Si le matériau en suspension était rendu plus rigide, cela empêchait le flambage. Aux raideurs moyennes de la suspension, les filaments se divisent en segments plus petits ou sont raccourcis, en fonction de la concentration de collagène-1 dans le filament. Les auteurs présentent un cadre théorique qui prédit comment les paramètres contrôlables d’une imprimante 3D détermineront lequel de ces comportements se produira.
Morley et al. proposent que leur cadre théorique fournisse des directives d'ingénierie quantitatives pour la bioimpression 4D. Par exemple, on pourrait imaginer des arrangements d'impression de cellules et de composants de MCE qui changent spontanément de forme pour créer des représentations synthétiques de tissus et d'organes, tels que les reins, les poumons ou les vaisseaux sanguins, plus vraies que jamais.
Cependant, il reste des défis à relever avant que cette vision ne devienne réalité. L'ingénierie de tissus fonctionnels utilisant la biopolymérisation 4D nécessitera l'intégration d'une longue liste de cellules vivantes et de composants de MEC dans le matériau extrudé par l'imprimante, qui interagiront entre elles biochimiquement et mécaniquement. Comment se comporteront plusieurs filaments couplés dans un ensemble composite et interconnecté de fermes? Comment vont-ils se pousser et se tirer? Et la dynamique des cellules changera-t-elle lorsqu'une structure se courbe ou devient plus compacte?? On ne sait pas non plus comment des objets plus complexes pourraient être conçus pour obtenir un résultat stable en utilisant des processus morphogénétiques, ou si de tels processus seront robustes aux comportements cellulaires non analysés par Morley et ses collègues, tels que la prolifération, la différenciation et la motilité.
Enfin, il convient de noter que toutes les techniques d'impression basées sur l'extrusion souffrent de problèmes de résolution spatiale. Curieusement, les observations de Morley et de ses collègues suggèrent une solution de contournement possible pour l’ingénierie tissulaire: ils constatent que les filaments se contractent dans le cadre d’un certain régime de paramètres. Sous ce régime, les tissus se comportent comme des Shrinky Dinks – des jouets qui rétrécissent lorsqu'ils sont chauffés, mais conservent leur forme initiale.. La résolution spatiale effective des structures de tissu imprimé pourrait donc être bien supérieure à celle que le diamètre de la buse de l’imprimante permettrait normalement, en raison de l’effet de compactage des tractions cellulaires dans l’objet imprimé. Les défis de la bioimpression 4D offrent donc aux ingénieurs de formidables opportunités de s’attaquer aux processus de développement tissulaire et de les traiter comme des motifs de conception contrôlables.
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