Le procédé STAMP utilise l’impression 3D pour créer des muscles artificiels pour la médecine et la robotique

Les tissus musculaires squelettiques artificiels jouent un rôle clé dans le développement de modèles in vitro pour la recherche sur les maladies ainsi que dans la conception de robots biohybrides. Cependant, leur fabrication traditionnelle présente certaines limites : les monocouches musculaires en 2D se détériorent rapidement, rendant leur utilisation à long terme ou leur observation en imagerie cellulaire difficile. Cette dernière technique permet d’examiner les cellules vivantes à l’aide de microscopes ou d’autres technologies d’imagerie avancées. Pour surmonter ces défis, des chercheurs du MIT ont mis au point une nouvelle approche permettant aux tissus musculaires artificiels de se contracter dans plusieurs directions, reproduisant ainsi plus fidèlement les mouvements des muscles naturels. Leur étude repose sur une méthode de traitement microtopographique qui contrôle avec précision l’alignement des fibres musculaires, un processus dans lequel la fabrication additive a joué un rôle clé. Ces avancées ouvrent la voie à des applications prometteuses en médecine régénérative, en recherche sur les maladies musculaires et en robotique.

Un nouveau procédé, baptisé « Simple Templating of Actuators via Micro-Topographical Patterning » (STAMP), repose sur l’utilisation de tampons imprimés en 3D pour graver des rainures microscopiques directement dans des hydrogels naturels. Ces tampons permettent de structurer avec précision la surface de l’hydrogel, formant des motifs topographiques qui orientent l’organisation des cellules musculaires au cours de leur croissance.

Comment fonctionne précisément cette méthode ? La première étape consiste à fabriquer des tampons imprimés en 3D, conçus pour s’adapter aux plaques à 24 puits et présentant de fines rainures verticales, allant de 12,5 à 125 μm. Ces tampons sont ensuite fixés dans un support équipé d’un système de libération de bulles. Un liquide composé de fibrinogène et de thrombine est versé dans les puits, puis l’ensemble est incubé à 37 °C pendant environ une heure. Cela permet à la fibrine de polymériser et de former un hydrogel réticulé. Une fois le tampon retiré, l’hydrogel présente une structure rainurée régulière, avec une surface plus lisse, favorisant ainsi des conditions optimales pour la culture cellulaire. Les tampons, qui sont stérilisés avant leur utilisation, peuvent être réutilisés plusieurs fois après un nettoyage approprié.

Pour tester cette méthode, les chercheurs ont développé un iris artificiel conçu pour imiter les mouvements de dilatation et de contraction de la pupille humaine. Ce modèle comportait deux orientations de fibres musculaires : l’une disposée en cercles concentriques et l’autre rayonnant vers l’extérieur. Combinées, ces deux structures ont permis de produire des contractions en réponse à une stimulation lumineuse, démontrant un degré de coordination rarement atteint dans les tissus musculaires artificiels.

Il est essentiel de souligner que les fibres musculaires naturelles ne se développent pas en lignes parfaitement droites, mais changent d’orientation à travers le corps, ce qui leur permet une plus grande amplitude de mouvement. En revanche, les muscles artificiels sont souvent contraints par une traction dans une seule direction, limitant ainsi leur capacité à réaliser des mouvements complexes. Cependant, grâce au procédé STAMP, il devient possible de contrôler de manière précise la croissance musculaire, permettant ainsi au tissu artificiel de se rapprocher fonctionnellement du modèle biologique naturel. De plus, des simulations informatiques ont montré que les fibres musculaires créées par cette méthode sont capables de se contracter de façon coordonnée et multidirectionnelle, un phénomène qui a été également confirmé par des tests expérimentaux.

L’impression 3D offre de nombreux avantages, notamment en rendant le processus de moulage plus accessible. Grâce à la fabrication additive, il devient possible d’imprimer des rainures microscopiques qui reproduisent avec précision les dimensions des cellules musculaires. Ce procédé est également rentable, peut être réalisé en une seule étape et permet un alignement extrêmement précis des cellules. De plus, les tampons imprimés en 3D peuvent être réutilisés après un simple nettoyage par ultrasons, ce qui améliore la durabilité de la méthode. Bien que l’étude se soit principalement concentrée sur les tissus musculaires squelettiques, cette approche n’est pas limitée à un seul type de cellule : les chercheurs estiment qu’elle pourrait également être adaptée à la création de neurones, de cellules musculaires cardiaques et d’autres types de tissus.

À l’avenir, les chercheurs explorent également des applications au-delà du secteur médical, notamment dans le développement de solutions énergétiques haute performance pour les composants mécaniques utilisés en robotique douce. Dans ce domaine, où la flexibilité est essentielle, ces robots pourraient devenir plus adaptables et mieux s’intégrer dans des environnements complexes. Pour en savoir plus, cliquez ICI.

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*Crédits de toutes les photos : MIT and Biomater. Sci