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La bio-impression, futur de la médecine sur-mesure ?

La bio-impression a commencé à se développer il y a un peu plus de vingt ans et pourrait déjà devenir le futur de la médecine. Mais savons-nous réellement ce que c’est ? Pourquoi relions-nous la bio-impression avec l’impression 3D ? Quels sont les résultats de ces avancées médicales jusqu’à maintenant ? Quels bénéfices réels pourrons-nous tirer dans quelques années ?

La bio-impression est l’un des développements de l’industrie 3D qui a connu la plus importante croissance et des innovations spectaculaires ces dernières années. Jusqu’ici, les acteurs du marché étaient principalement regroupés aux les Etats-Unis avec des laboratoires et universités spécialisés dans ce domaine. Ils se développent progressivement dans le reste du monde.

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Les acteurs clés de la bio-impression

Aujourd’hui, nombreuses sont les personnes qui attendent de recevoir un organe pour une greffe. La demande est très forte les chances et les chances d’en obtenir sont plus faibles. En France, en 2014, 5 747 greffes ont été réalisées tandis que 21 500 patients étaient en liste d’attente. Les greffes de rein et de foie sont les plus courantes tandis que celles du cœur se sont élevées à 471.

La bio-impression pourrait bien pallier ce problème. Elle correspond au processus qui permet de créer des structures cellulaires grâce à une imprimante 3D particulière. Ces cellules peuvent être intégrées à un organe fonctionnel. Comme toute technologie d’impression 3D, la bio-impression ajoute des cellules couche par couche afin d’obtenir des modèles complexes multicellulaires.

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Les débuts de la bio-impression

Le premier développement de la bio-impression date de 1988 lorsque le Docteur Robert J. Klebe de l’Université du Texas a présenté son processus Cytoscribing, une méthode de micro-positionnement des cellules pour créer des tissus synthétiques en 2 ou 3D en utilisant une imprimante inkjet classique. A la suite de ces recherches, le Professeur Anthony Atala de l’Université de Wake Forest a crée en 2002 le premier organe grâce à la bio-impression, un rein à échelle réduite. En 2010, le premier laboratoire spécialisé dans l’impression 3D a vu le jour : Organovo s’est rapidement positionné comme le leader de cette industrie et selon certaines études, tout laisse à penser que ça sera encore le cas jusqu’en 2022. Ce n’est que ces dernières années qu’il a commencé à développer un tissu osseux et a réussi à greffer des tissus de foie.

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Anthony Atala

La bio-impression n’en est qu’à ses débuts. Arriver à imprimer des organes humains n’est pas une tâche facile ; l’un des plus gros challenges est le coût élevé du développement et le manque de connaissances. Toutefois, de nouvelles techniques 3D commencent à émerger pour augmenter les chances de réussite et peuvent être divisées en 5 catégories différentes.

La bio-impression « inkjet »

Cette technologie est basée sur le processus d’impression inkjet classique. Aujourd’hui, des imprimantes 3D FDM sont modifiées afin d’obtenir un procédé d’impression similaire. Cette méthode permet de déposer des gouttelettes de bio-encre couche par couche – ces bio-matériaux sont aussi appelés des biotines – sur un support hydrogel ou une plaque de culture. Cette technologie peut être classée dans les méthodes thermiques et piézoélectriques, toutes les deux basées sur une forme de biotine.

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La technologie thermique utilise la chaleur pour créer des bulles d’air qui viennent s’éclater et fournissent suffisamment de pression pour éjecter les gouttes d’encre. A l’inverse, la technologie piézoélectrique n’utilise pas la chaleur pour créer la pression suffisante mais a recours à une charge électrique qui s’accumule dans certains matériaux solides – dans ce cas, de la céramique polycristalline piézoélectrique présente dans chaque buse. Toutefois, cette technologie peut endommager la membrane cellulaire si elle est utilisée trop souvent.

Des scientifiques ont fait d’importants progrès dans la bio-impression de modèles de molécules, cellules et organes en utilisant l’impression inkjet. Les molécules ont été dupliquées avec succès facilitant ainsi l’étude du cancer et son traitement. Les cellules qui soignent le cancer peuvent ainsi être imprimées via ce procédé et conserver leurs fonctions.

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Organovo utilise l’impression inkjet pour créer des tissus humains fonctionnels. Le laboratoire est actuellement en train de reproduire du tissu humain pour le foie afin de réparer la partie endommagée de l’organe. Cela permettrait de rallonger la durée de vie du foie jusqu’à ce que le patient en question puisse recevoir une greffe, opération qui peut prendre quelques années.

La bio-impression par extrusion

Ce type de bio-impression est basé sur l’extrusion pour créer des modèles 3D et des structures cellulaires. Les bio-matériaux utilisés sont généralement des solutions extrudées en coordonnant le mouvement d’un piston à pression ou d’une micro-aiguille au dessus d’un support fixe. Après l’application couche par couche, on procède à un assemblage pour compléter les modèles 3D formés. Les avantages de cette technologie sont le traitement à température ambiante, l’incorporation directe des cellules et leur distribution homogène. Certaines des bio-imprimantes les plus populaires utilisent cette technique parce qu’elle est considérée comme une évolution de la bio-impression par inkjet – comme la Bioplotter d’EnvisionTec.

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La bio-imprimante d’EnvisionTec

La bio-impression assistée par laser

Cette technique utilise un laser comme source d’énergie pour déposer les bio-matériaux dans un récepteur. Elle est composée de trois parties : une source laser, un film plastique recouvert de matériaux biologiques et un récepteur. Les rayons laser irradient le film entrainant ainsi l’évaporation des matériaux biologiques liquides qui vont alors dans le récepteur sous la forme de gouttes. Ce dernier contient un bio-polymère qui conserve l’adhésion des cellules et les aide à se développer. Comparée à d’autres technologies, la bio-impression assistée par laser a des avantages uniques notamment parce que c’est un processus sans buse et sans contact, qu’elle permet une impression de cellules d’une grande résolution et un contrôle des gouttelettes de biotine.

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Le leader français de la bio-impression, Poietis, a réussi à recréer des cheveux en partenariat avec L’Oréal. L’entreprise utilise la technologie de bio-impression assistée par laser qui lui permet de déposer précisément les cellules en une géométrie particulière. En travaillant avec la marque de cosmétiques, Poietis bénéfice de son expertise dans le domaine de la biologie capillaire. Actuellement, le français essaye de recréer des follicules capillaires qui pourraient être une solution efficace pour faire pousser les cheveux et une alternative pour les hommes et femmes confrontés à des problèmes d’alopécie.

Stéréolithographie

La technologie consiste à solidifier un photopolymère grâce à une lumière ultra-violette. Elle a la précision de fabrication la plus élevée. Elle est adaptée à la bio-impression et imprime des hydrogels sensibles à la lumière. Cette technologie est en développement parce qu’elle présente encore des nombreuses restrictions comme le manque de biocompatibilité et de biodégradabilité des polymères, les effets nuisibles et l’incapacité à retirer le support d’impression.

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La bio-impression par ondes acoustiques

Cette méthode a été développée par l’Université Carnegie Mellon, la Pennsylvania State University et MIT. Elle utilise des sortes de pinces acoustiques, un système micro-fluidique dans lequel les cellules individuelles peuvent être manipulées, et des ondes acoustiques superficielles. Ce système a permis aux chercheurs de contrôler l’endroit où les ondes se rencontreraient. A ce point de rencontre, les ondes ont formé un nœud qui a permis de capturer les cellules individuelles. Ces dernières sont recueillies pour créer des modèles 2D puis 3D. Cette technique offre une performance élevée en termes de précision de mouvement.

Il existe de plus en plus de développements associés à ces technologies, de nouvelles applications ou techniques comme la création il y a quelques mois d’un ovaire fonctionnel par l’Université de Northwest, dans l’Illinois. Des chercheurs espagnols sont maintenant capables de développer de la peau humaine qui peut être greffée ; Harvard travaille sur la bio-impression d’un rein ; Aspect Biosystems sur l’impression 3D de tissus pour le genou, etc. Tout cela est prometteur mais qu’en est-il des problèmes éthiques liés à cette avancée médicale ?

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L’avenir de la bio-impression et les problèmes éthiques

Les techniques de bio-médecine cherchent à développer la « médecine personnalisée » où les docteurs pourraient adapter les traitements en fonction des besoins de chaque patient. Une des principales préoccupations de l’industrie est les coûts liés à cette personnalisation et qui pourrait y accéder.

Un autre problème éthique est qu’il n’est aujourd’hui pas possible de tester l’efficacité et la sécurité de ces traitements. Après l’analyse des différentes techniques utilisées, nous savons qu’il est possible de développer des organes fonctionnels qui peuvent remplacer les organes humains mais il n’est pas encore possible d’évaluer si le corps du patient acceptera le nouveau tissu et l’organe artificiel créé.

En plus de tout cela, il faut considérer les règlementations juridiques qui doivent être créées avant que ces avancées ne soient disponibles à un public plus large.

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N’oublions pas non plus que les nouvelles technologies peuvent être utilisées à mauvais escient, la bio-impression n’est pas une exception. Si les technologies sont capables de créer des organes ou des tissus sur-mesure, il faut considérer la possibilité de créer de nouvelles capacités humaines, des os plus résistants ou des poumons oxygénés différemment.

En 2015, le marché de la bio-impression a été évalué à 100 milliards de dollars et devrait connaître une croissance de 35,9% entre 2017 et 2022, surpassant de loin de nombreux marchés reliés à l’impression 3D. Les acteurs clés attendus sont toujours les pays d’Amérique du Nord – le leader étant les Etats-Unis qui est suivi du Canada, puis l’Europe avec l’Angleterre et l’Allemagne comme leaders. La croissance principale du marché se concentrera sur le développement de tissus et d’organes dans un premier temps. Avec tous ces les progrès médicaux réalisés aujourd’hui, on peut facilement dire que dans dix ans, on pourra probablement parler de greffes d’organes humains imprimés en 3D, sans doute l’une des plus grandes révolutions médicales de l’Histoire.

La bio-impression est-elle le futur de la médecine sur-mesure? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives.


À propos melanie

Diplômée de l'Université Paris Dauphine, je suis passionnée par l'écriture et la communication. J'aime découvrir toutes les nouveautés technologiques de notre société digitale et aime les partager. Je considère l'impression 3D comme une avancée technologique majeure touchant la majorité des secteurs. C'est d'ailleurs ce qui fait toute sa richesse.
  • sarigolepas

    On peut imrimer des organes allant jusque à quelle taille dans du gel avant d’avoir besoin de les oxygéner avec du sang? Il faudrait à mon avis fabriquer des morceaux de quelques cm3 puis les assembler le plus vite possible et y injecter du sang ou alors oxygéner directement l’organe pendant l’impression