Fibre

Muscle cardiaque imprimé en 3D battant grâce à une encre infusée de fibres

Au cours de la dernière décennie, les progrès de l’impression 3D ont ouvert de nouvelles possibilités aux bio-ingénieurs pour construire des tissus et des structures cardiaques. Leurs objectifs incluent la création de meilleures plateformes in vitro pour découvrir de nouveaux traitements contre les maladies cardiaques, la principale cause de décès aux États-Unis, responsable d'environ un décès sur cinq à l'échelle nationale, et l'utilisation de tissus cardiaques imprimés en 3D pour évaluer quels traitements pourraient fonctionner le mieux. chez des patients individuels. Un objectif plus lointain est de fabriquer des tissus implantables capables de guérir ou de remplacer des structures défectueuses ou malades à l'intérieur du cœur d'un patient.

Dans un article publié dans Nature Materials, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) rapportent le développement d'une nouvelle encre hydrogel infusée de fibres de gélatine qui permet l'impression 3D d'un ventricule cardiaque fonctionnel qui imite les battements comme un cœur humain. Ils ont découvert que l’encre gel infusée de fibres (FIG) permet aux cellules du muscle cardiaque imprimées en forme de ventricule de s’aligner et de battre en coordination comme une chambre cardiaque humaine.

"Les gens ont essayé de reproduire les structures et les fonctions des organes pour tester l'innocuité et l'efficacité des médicaments afin de prédire ce qui pourrait se produire en milieu clinique", explique Suji Choi, associé de recherche au SEAS et premier auteur de l'article. Mais jusqu’à présent, les techniques d’impression 3D n’ont pas permis à elles seules d’obtenir un alignement physiologiquement pertinent des cardiomyocytes, les cellules responsables de la transmission coordonnée des signaux électriques pour contracter le muscle cardiaque.

Nous avons lancé ce projet pour remédier à certaines des insuffisances de l’impression 3D de tissus biologiques.

L'innovation réside dans l'ajout de fibres au sein d'une encre imprimable. "L'encre FIG est capable de s'écouler à travers la buse d'impression mais, une fois la structure imprimée, elle conserve sa forme 3D", explique Choi. "Grâce à ces propriétés, j'ai découvert qu'il était possible d'imprimer une structure semblable à un ventricule et d'autres formes 3D complexes sans utiliser de matériaux de support ou d'échafaudages supplémentaires."

Pour créer l'encre FIG, Choi a utilisé une technique de filage à jet rotatif développée par le laboratoire de Parker qui fabrique des matériaux en microfibres en utilisant une approche similaire à la façon dont la barbe à papa est filée. Le chercheur postdoctoral Luke MacQueen, co-auteur de l'article, a proposé l'idée que les fibres créées par la technique de filage à jet rotatif pourraient être ajoutées à une encre et imprimées en 3D.

"Lorsque Luke a développé ce concept, la vision était d'élargir la gamme d'échelles spatiales pouvant être imprimées avec des imprimantes 3D en abaissant le bas des limites inférieures, en le ramenant à l'échelle nanométrique", explique Parker. « L’avantage de produire les fibres par filage à jet rotatif plutôt que par électrofilage » – une méthode plus conventionnelle pour générer des fibres ultrafines – « est que nous pouvons utiliser des protéines qui autrement seraient dégradées par les champs électriques de l’électrofilage. »

En utilisant le jet rotatif pour faire tourner les fibres de gélatine, Choi a produit une feuille de matériau ayant un aspect similaire au coton. Ensuite, elle a utilisé la sonification – des ondes sonores – pour briser cette feuille en fibres d’environ 80 à 100 micromètres de long et d’environ 5 à 10 micromètres de diamètre. Ensuite, elle a dispersé ces fibres dans une encre hydrogel.

Ce concept est largement applicable : nous pouvons utiliser notre technique de filage de fibres pour produire de manière fiable des fibres dans les longueurs et les formes souhaitées.

L’aspect le plus difficile a été de déterminer le rapport souhaité entre les fibres et l’hydrogel dans l’encre afin de maintenir l’alignement des fibres et l’intégrité globale de la structure imprimée en 3D.

Alors que Choi imprimait des structures 2D et 3D à l’aide de l’encre FIG, les cardiomyocytes se sont alignés en tandem avec la direction des fibres à l’intérieur de l’encre. En contrôlant la direction d’impression, Choi pourrait donc contrôler la façon dont les cellules du muscle cardiaque s’aligneraient.

Lorsqu’elle a appliqué une stimulation électrique à des structures imprimées en 3D réalisées avec de l’encre FIG, elle a découvert que cela déclenchait une vague coordonnée de contractions alignées avec la direction de ces fibres. Dans une structure en forme de ventricule, « c’était très excitant de voir la chambre pomper de la même manière que les vrais ventricules cardiaques pompent », explique Choi.