Un cœur bio-imprimé 3D fournit un nouvel outil pour les chirurgiens

PITTSBURGH, 19 novembre 2020 /PRNewswire/ -- Adam Feinberg, professeur d'ingénierie biomédicale à l'université Carnegie Mellon, et son équipe ont créé le premier modèle de cœur humain bio-imprimé en 3D grandeur nature en utilisant leur technique Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH, intégration réversible libre d'hydrogels en suspension). Présenté dans une récente vidéo de l'American Chemical Society et créé à partir de données IRM à l'aide d'une imprimante 3D spécialement conçue, le modèle imite de manière réaliste l'élasticité du tissu cardiaque et des sutures. Cette étape représente le point culminant de deux années de recherche, qui sont à la fois prometteuses dans l'immédiat pour les chirurgiens et les cliniciens, et porteuses d'implications à long terme pour l'avenir de la recherche sur les organes issus du génie biologique.

La technique FRESH de bio-impression 3D a été inventée dans le laboratoire de Feinberg pour répondre à une demande non satisfaite de polymères souples imprimés en 3D, qui n'ont pas la rigidité nécessaire pour tenir debout sans support comme dans une impression normale. L'impression 3D FRESH utilise une aiguille pour injecter de la bio-encre dans un bain d'hydrogel mou, qui soutient l'objet pendant l'impression. Une fois terminé, une simple application de chaleur fait fondre l'hydrogel, ne laissant que l'objet bio-imprimé en 3D.

Si le laboratoire de Feinberg a prouvé à la fois la polyvalence et la fidélité de la technique FRESH, le principal obstacle à la réalisation de ce jalon a été l'impression d'un cœur humain à l'échelle réelle. Cela a nécessité la construction d'une nouvelle imprimante 3D faite sur mesure pour contenir un bain de support en gel suffisamment grand pour imprimer à la taille souhaitée, ainsi que des modifications mineures du logiciel pour maintenir la vitesse et la fidélité de l'impression.

Les grands hôpitaux disposent souvent d'installations pour l'impression en 3D de modèles du corps d'un patient afin d'aider les chirurgiens à éduquer les patients et à planifier la procédure proprement dite. Cependant, ces tissus et organes ne peuvent être modélisés qu'en plastique dur ou en caoutchouc. Le cœur de l'équipe de Feinberg est fabriqué à partir d'un polymère naturel mou appelé alginate, ce qui lui confère des propriétés similaires à celles du vrai tissu cardiaque. Pour les chirurgiens, cela permet de créer des modèles qu'ils  peuvent couper, suturer et manipuler de manière similaire à un vrai cœur. L'objectif immédiat de Feinberg est de commencer à travailler avec les chirurgiens et les cliniciens pour affiner leur technique et s'assurer qu'elle est prête pour le milieu hospitalier.

« Nous pouvons maintenant construire un modèle qui permet non seulement une planification visuelle, mais aussi une pratique physique », explique M. Feinberg. « Le chirurgien peut le manipuler et le faire réagir comme un vrai tissu, de sorte qu'une fois sur le lieu de l'opération, il dispose d'un niveau supplémentaire de pratique réaliste dans ce cadre. »

Cet article représente un autre marqueur important sur le long chemin vers la bio-ingénierie d'un organe humain fonctionnel. Des échafaudages souples et biocompatibles comme celui créé par le groupe de Feinberg pourraient un jour fournir la structure à laquelle les cellules adhèrent et forment un système d'organes, ce qui rapprocherait la biomédecine de la capacité à réparer ou à remplacer des organes humains complets.

« Bien que des obstacles majeurs subsistent dans la bio-impression d'un cœur humain fonctionnel grandeur nature, nous sommes fiers de contribuer à établir ses fondements en utilisant la plate-forme FRESH tout en montrant des applications immédiates pour une simulation chirurgicale réaliste », a ajouté Eman Mirdamadi, auteur principal de la publication.

Publié dans ACS Biomaterials Science and Engineering, l'article a été co-écrit par les étudiants de Feinberg Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko, et l'ancien étudiant Eman Mirdamadi.