Contenu
- Transformer la médecine avec les imprimantes 3D
- Comment fonctionne une imprimante 3D?
- Faire une oreille
- Différence entre un moule et un échafaudage
- Avantages potentiels des oreilles imprimées
- Impression d'une mâchoire inférieure
- Prothèses et articles implantables
- Plus d'exemples
- La bio-impression avec des cellules vivantes: un avenir possible
- Remplacement d'organes et de tissus
- Quelques succès de la bio-impression
- Impression de parties du cœur
- Créer une cornée
- Avantages des mini-organes, des organoïdes ou des organes sur puce
- Une structure qui imite le poumon
- Quelques défis pour la bio-impression
- Les références
Linda Crampton a enseigné les sciences et la technologie de l'information aux élèves du secondaire pendant de nombreuses années. Elle aime apprendre les nouvelles technologies.
Transformer la médecine avec les imprimantes 3D
L'impression 3D est un aspect passionnant de la technologie qui a de nombreuses applications utiles. Une application fascinante et potentiellement très importante des imprimantes 3D est la création de matériaux pouvant être utilisés en médecine. Ces matériaux comprennent des dispositifs médicaux implantables, des parties artificielles du corps ou des prothèses et des instruments médicaux personnalisés. Ils comprennent également des patchs imprimés de tissus humains vivants ainsi que des mini organes. À l'avenir, des organes implantables pourront être imprimés.
Les imprimantes 3D ont la capacité d'imprimer des objets solides en trois dimensions basés sur un modèle numérique stocké dans la mémoire d'un ordinateur. Un support d'impression courant est le plastique liquide qui se solidifie après l'impression, mais d'autres supports sont disponibles. Ceux-ci comprennent le métal en poudre et les «encres» contenant des cellules vivantes.
La capacité des imprimantes à produire des matériaux compatibles avec le corps humain s'améliore rapidement. Certains des matériaux sont déjà utilisés en médecine tandis que d'autres sont encore au stade expérimental. De nombreux chercheurs participent à l'enquête. L'impression 3D a le potentiel alléchant de transformer le traitement médical.
Comment fonctionne une imprimante 3D?
La première étape de la création d'un objet tridimensionnel par une imprimante est de concevoir l'objet. Cela se fait dans un programme de CAO (conception assistée par ordinateur). Une fois la conception terminée, un autre programme crée des instructions pour produire l'objet en une série de couches. Ce deuxième programme est parfois connu sous le nom de programme de tranchage ou de logiciel de tranchage, car il convertit le code CAO de l'objet entier en code pour une série de tranches ou de couches horizontales. Les couches peuvent être au nombre de centaines ou même de milliers.
L'imprimante crée l'objet en déposant des couches de matériau selon les instructions du programme de tranchage, en commençant par le bas de l'objet et en travaillant vers le haut. Les couches successives sont fusionnées. Le processus est appelé fabrication additive.
Le filament en plastique est souvent utilisé comme support pour l'impression 3D, en particulier dans les imprimantes grand public. L'imprimante fait fondre le filament puis extrude le plastique chaud à travers une buse. La buse se déplace dans toutes les dimensions car elle libère le plastique liquide afin de créer un objet. Le mouvement de la buse et la quantité de plastique extrudé sont contrôlés par le programme de trancheuse. Le plastique chaud se solidifie presque immédiatement après avoir été libéré de la buse. D'autres types de supports d'impression sont disponibles à des fins spéciales.
La partie de l'oreille qui est visible de l'extérieur du corps est appelée pavillon ou oreillette. Le reste de l'oreille est situé dans le crâne. La fonction du pavillon est de collecter les ondes sonores et de les envoyer à la section suivante de l'oreille.
Faire une oreille
En février 2013, des scientifiques de l'Université Cornell aux États-Unis ont annoncé avoir été en mesure de fabriquer un pavillon auriculaire à l'aide de l'impression 3D. Les étapes suivies par les scientifiques de Cornell étaient les suivantes.
- Un modèle d'oreille a été créé dans un programme de CAO. Les chercheurs ont utilisé des photographies d'oreilles réelles comme base de ce modèle.
- Le modèle d'oreille a été imprimé par une imprimante 3D, en utilisant du plastique pour créer un moule avec la forme de l'oreille.
- Un hydrogel contenant une protéine appelée collagène a été placé à l'intérieur du moule. Un hydrogel est un gel qui contient de l'eau.
- Des chondrocytes (cellules qui produisent du cartilage) ont été obtenus à partir d'une oreille de vache et ajoutés au collagène.
- L'oreille de collagène a été placée dans une solution nutritive dans une boîte de laboratoire. Pendant que l'oreille était dans la solution, certains des chondrocytes ont remplacé le collagène.
- L'oreille a ensuite été implantée dans le dos d'un rat sous sa peau.
- Après trois mois, le collagène dans l'oreille avait été complètement remplacé par du cartilage et l'oreille avait conservé sa forme et sa distinction par rapport aux cellules de rat environnantes.
Différence entre un moule et un échafaudage
Dans le processus de création d'oreille décrit ci-dessus, l'oreille en plastique était un moule inerte. Sa seule fonction était de donner la forme correcte à l'oreille. L'oreille de collagène qui s'est formée à l'intérieur du moule a agi comme un échafaudage pour les chondrocytes. En génie tissulaire, un échafaudage est un matériau biocompatible avec une forme spécifique et dans lequel les cellules se développent. L'échafaudage a non seulement la forme correcte, mais a également des propriétés qui soutiennent la vie des cellules.
Depuis que le processus de création d'oreille d'origine a été effectué, les chercheurs de Cornell ont trouvé un moyen d'imprimer un échafaudage en collagène avec la forme correcte nécessaire pour fabriquer une oreille, éliminant ainsi la nécessité d'un moule en plastique.
Avantages potentiels des oreilles imprimées
Les oreilles fabriquées à l'aide d'imprimantes peuvent être utiles aux personnes qui ont perdu leurs propres oreilles en raison d'une blessure ou d'une maladie. Ils pourraient également aider les personnes nées sans oreilles ou qui ne se sont pas développées correctement.
À l'heure actuelle, les oreilles de remplacement sont parfois fabriquées à partir de cartilage dans la côte d'un patient. L'obtention du cartilage est une expérience désagréable pour le patient et peut endommager la côte. De plus, l'oreille qui en résulte peut ne pas paraître très naturelle. Les oreilles sont également fabriquées à partir d'un matériau artificiel, mais encore une fois, le résultat peut ne pas être complètement satisfaisant. Les oreilles imprimées ont le potentiel de ressembler davantage à des oreilles naturelles et de fonctionner plus efficacement.
En mars 2013, une société appelée Oxford Performance Materials a rapporté avoir remplacé 75% du crâne d'un homme par un crâne en polymère imprimé. Les imprimantes 3D sont également utilisées pour fabriquer des appareils de soins de santé, tels que des prothèses, des prothèses auditives et des implants dentaires.
Impression d'une mâchoire inférieure
En février 2012, des scientifiques néerlandais ont rapporté avoir créé une mâchoire inférieure artificielle avec une imprimante 3D et l'avoir implantée dans le visage d'une femme de 83 ans. La mâchoire était constituée de couches de poudre de titane métallique fondues par la chaleur et était recouverte d'un revêtement biocéramique. Les matériaux biocéramiques sont compatibles avec les tissus humains.
La femme a reçu la mâchoire artificielle parce qu'elle avait une infection osseuse chronique dans sa propre mâchoire inférieure. Les médecins ont estimé que la chirurgie de reconstruction faciale traditionnelle était trop risquée pour la femme en raison de son âge.
La mâchoire avait des articulations pour pouvoir être déplacée, ainsi que des cavités pour l'attachement musculaire et des rainures pour les vaisseaux sanguins et les nerfs. La femme a pu dire quelques mots dès qu'elle s'est réveillée de l'anesthésie. Le lendemain, elle a pu avaler. Elle est rentrée chez elle au bout de quatre jours. L'implantation de fausses dents dans la mâchoire était prévue à une date ultérieure.
Les structures imprimées sont également utilisées dans la formation médicale et dans la planification pré-chirurgicale. Un modèle tridimensionnel créé à partir des scans médicaux d'un patient peut être très utile pour les chirurgiens, car il peut montrer les conditions spécifiques à l'intérieur du corps du patient. Cela peut simplifier une chirurgie complexe.
Prothèses et articles implantables
La mâchoire métallique décrite ci-dessus est un type de partie prothétique ou artificielle du corps. La production de prothèses est un domaine dans lequel les imprimantes 3D prennent de l'importance. Certains hôpitaux ont maintenant leurs propres imprimantes ou travaillent en coopération avec une société de fournitures médicales qui dispose d'une imprimante.
La création d'une prothèse par impression 3D est souvent un processus plus rapide et moins coûteux que la création par des méthodes de fabrication conventionnelles. De plus, il est plus facile de créer un ajustement personnalisé pour un patient lorsqu'un appareil est spécialement conçu et imprimé pour la personne. Les scans hospitaliers peuvent être utilisés pour créer des appareils sur mesure.
Les membres de remplacement sont souvent imprimés en 3D aujourd'hui, du moins dans certaines régions du monde. Les bras et les mains imprimés sont souvent beaucoup moins chers que ceux produits par les méthodes conventionnelles. Une entreprise d'impression 3D travaille avec Walt Disney pour créer des prothèses de mains colorées et amusantes pour les enfants. En plus de créer un produit moins cher et plus abordable, l'initiative vise «à aider les enfants à considérer leurs prothèses comme une source d'excitation plutôt que d'embarras ou de limitation».
Plus d'exemples
- Fin 2015, des vertèbres imprimées ont été placées avec succès chez un patient. Les patients ont également reçu un sternum imprimé et une cage thoracique.
- L'impression 3D est utilisée pour produire des implants dentaires améliorés.
- Les articulations de la hanche de remplacement sont souvent imprimées.
- Les cathéters qui correspondent à la taille et à la forme spécifiques d'un passage dans le corps d'un patient pourraient bientôt être courants.
- L'impression 3D est souvent impliquée dans la fabrication d'aides auditives.
La bio-impression avec des cellules vivantes: un avenir possible
L'impression avec des cellules vivantes, ou bio-impression, se produit aujourd'hui. C'est un processus délicat. Les cellules ne doivent pas devenir trop chaudes. La plupart des méthodes d'impression 3D impliquent des températures élevées, ce qui tuerait les cellules. De plus, le liquide porteur des cellules ne doit pas les endommager. Le liquide et les cellules qu'il contient sont connus sous le nom de bio-encre (ou bioink).
Remplacement d'organes et de tissus
Le remplacement des organes endommagés par des organes fabriqués à partir d'imprimantes 3D serait une merveilleuse révolution en médecine. À l'heure actuelle, il n'y a pas assez d'organes donnés pour tous ceux qui en ont besoin.
Le plan est de prélever des cellules du corps d'un patient afin d'imprimer un organe dont il a besoin. Ce processus devrait empêcher le rejet d'organe. Les cellules seraient probablement des cellules souches, qui sont des cellules non spécialisées capables de produire d'autres types de cellules lorsqu'elles sont correctement stimulées. Les différents types de cellules seraient déposés par l'imprimante dans le bon ordre. Les chercheurs découvrent qu'au moins certains types de cellules humaines ont une capacité étonnante à s'auto-organiser lorsqu'elles sont déposées, ce qui serait très utile dans le processus de création d'un organe.
Un type spécial d'imprimante 3D connu sous le nom de bio-imprimante est utilisé pour fabriquer des tissus vivants. Dans un procédé courant de fabrication du tissu, un hydrogel est imprimé à partir d'une tête d'imprimante pour former un échafaudage. De minuscules gouttelettes de liquide, contenant chacune plusieurs milliers de cellules, sont imprimées sur l'échafaudage à partir d'une autre tête d'impression. Les gouttelettes se rejoignent rapidement et les cellules s'attachent les unes aux autres. Lorsque la structure souhaitée s'est formée, l'échafaudage d'hydrogel est retiré.Il peut être pelé ou emporté s'il est soluble dans l'eau. Des échafaudages biodégradables peuvent également être utilisés. Ceux-ci se décomposent progressivement à l'intérieur d'un corps vivant.
En médecine, une greffe est le transfert d'un organe ou d'un tissu d'un donneur à un receveur. Un implant est l'insertion d'un dispositif artificiel dans le corps du patient. La bio-impression 3D se situe quelque part entre ces deux extrêmes. Les termes «greffe» et «implant» sont tous deux utilisés pour désigner des articles produits par une imprimante biologique.
Quelques succès de la bio-impression
Les implants et prothèses non vivants créés par des imprimantes 3D sont déjà utilisés chez l'homme. L'utilisation d'implants contenant des cellules vivantes nécessite plus de recherche, qui est en cours. Des organes entiers ne peuvent pas encore être fabriqués par impression 3D, mais des sections d'organes le peuvent. De nombreuses structures différentes ont été imprimées, y compris des plaques de muscle cardiaque capables de battre, des plaques cutanées, des segments de vaisseaux sanguins et du cartilage du genou. Ceux-ci n'ont pas encore été implantés chez les humains. En 2017, des scientifiques ont toutefois présenté un prototype d'imprimante capable de créer de la peau humaine pour l'implantation, et en 2018, d'autres scientifiques ont imprimé des cornées dans un processus qui pourrait un jour être utilisé pour réparer les lésions oculaires.
Des découvertes prometteuses ont été rapportées en 2016. Une équipe de scientifiques a implanté trois types de structures bio-imprimées sous la peau de souris. Ceux-ci comprenaient un pavillon d'oreille humaine de la taille d'un bébé, un morceau de muscle et une section d'os de la mâchoire humaine. Les vaisseaux sanguins des environs se sont étendus dans toutes ces structures alors qu'ils se trouvaient dans le corps des souris. Ce fut un développement passionnant, car un approvisionnement en sang est nécessaire pour maintenir les tissus en vie. Le sang transporte les nutriments vers les tissus vivants et enlève leurs déchets.
Il était également passionnant de noter que les structures implantées étaient capables de rester en vie jusqu'à ce que les vaisseaux sanguins se soient développés. Cet exploit a été accompli par l'existence de minuscules pores dans les structures qui permettaient aux nutriments d'y pénétrer.
Impression de parties du cœur
Créer une cornée
Des scientifiques de l'Université de Newcastle au Royaume-Uni ont créé des cornées imprimées en 3D. La cornée est la couverture transparente et la plus externe de nos yeux. Des dommages importants à ce revêtement peuvent provoquer la cécité. Une greffe de cornée résout souvent le problème, mais il n'y a pas assez de cornées disponibles pour aider tous ceux qui en ont besoin.
Les scientifiques ont obtenu des cellules souches à partir d'une cornée humaine saine. Les cellules ont ensuite été placées dans un gel d'alginate et de collagène. Le gel protégeait les cellules lors de leur passage à travers la seule buse de l'imprimante. Moins de dix minutes ont été nécessaires pour imprimer le gel et les cellules dans la forme correcte. La forme a été obtenue en scannant l'œil d'une personne. (Dans une situation médicale, l'œil du patient serait scanné.) Une fois que le mélange de gel et de cellules a été imprimé, les cellules souches ont produit une cornée complète.
Les cornées fabriquées par le procédé d'impression n'ont pas encore été implantées dans les yeux humains. Il faudra probablement un certain temps avant qu'ils ne le soient. Cependant, ils ont le potentiel d'aider de nombreuses personnes.
Stimuler les cellules souches pour produire les cellules spécialisées nécessaires pour faire une partie spécifique du corps humain au bon moment est un défi en soi. C'est un processus qui pourrait cependant avoir de merveilleux avantages pour nous.
Avantages des mini-organes, des organoïdes ou des organes sur puce
Les scientifiques ont pu créer des mini-organes par impression 3D (et par d'autres méthodes). Les «mini-organes» sont des versions miniatures d'organes, des sections d'organes ou des plaques de tissu d'organes spécifiques. Ils sont désignés par divers noms en plus du terme mini-orgue. Les créations imprimées peuvent ne pas contenir tous les types de structure trouvés dans l'orgue de taille réelle, mais ce sont de bonnes approximations. La recherche indique qu'ils pourraient avoir des utilisations importantes, même s'ils ne sont pas implantables.
Les mini organes ne sont pas toujours produits à partir de cellules fournies par un donneur aléatoire. Au lieu de cela, ils sont souvent fabriqués à partir des cellules d'une personne atteinte d'une maladie. Les chercheurs peuvent vérifier les effets des médicaments sur le mini-organe. Si un médicament s'avère utile et non nocif, il peut être administré au patient. Il y a plusieurs avantages à ce processus. La première est qu'un médicament susceptible d'être bénéfique pour la version spécifique d'une maladie du patient et pour son génome spécifique peut être utilisé, ce qui augmente les chances de succès du traitement. Un autre est que les médecins peuvent être en mesure d'obtenir un médicament inhabituel ou normalement coûteux pour un patient s'ils peuvent démontrer que le médicament est susceptible d'être efficace. De plus, tester des médicaments sur des mini-organes peut réduire le besoin d'animaux de laboratoire.
Une structure qui imite le poumon
En 2019, des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Washington ont démontré leur création d'un mini organe qui imite un poumon humain en action. Le mini-poumon est constitué d'un hydrogel. Il contient une petite structure ressemblant à un poumon qui est remplie d'air à intervalles réguliers. Un réseau de vaisseaux remplis de sang entoure la structure.
Lorsqu'ils sont stimulés, le poumon simulé et ses vaisseaux se dilatent et se contractent en rythme sans se rompre. La vidéo montre comment la structure fonctionne. Bien que l'organoïde ne soit pas de taille normale et n'imite pas tous les tissus d'un poumon humain, sa capacité à se déplacer comme un poumon est un développement très important.
Quelques défis pour la bio-impression
Créer un organe adapté à l'implantation est une tâche difficile. Un organe est une structure complexe contenant différents types de cellules et tissus disposés selon un modèle spécifique. De plus, à mesure que les organes se développent au cours du développement embryonnaire, ils reçoivent des signaux chimiques qui permettent à leur structure fine et à leur comportement complexe de se développer correctement. Ces signaux font défaut lorsque nous essayons de créer artificiellement un organe.
Certains scientifiques pensent que dans un premier temps - et peut-être pour un certain temps encore - nous imprimerons des structures implantables qui peuvent remplir une seule fonction d'organe au lieu de toutes ses fonctions. Ces structures plus simples peuvent être très utiles si elles compensent un défaut grave du corps.
Bien qu'il faudra probablement des années avant que les organes bio-imprimés ne soient disponibles pour les implants, nous pourrions bien voir de nouveaux avantages de la technologie avant cette date. Le rythme de la recherche semble s'accélérer. L'avenir de l'impression 3D en relation avec la médecine devrait être à la fois très intéressant et passionnant.
Les références
- Une oreille artificielle créée par une imprimante 3D et des cellules cartilagineuses vivantes du Smithsonian Magazine.
- Mâchoire de greffe réalisée par une imprimante 3D de la BBC (British Broadcasting Corporation)
- Mains colorées imprimées en 3D de l'American Society of Mechanical Engineers
- Bioprinter crée des parties du corps sur mesure cultivées en laboratoire pour la transplantation de The Guardian
- Première cornée humaine imprimée en 3D du service de presse EurekAlert
- L'imprimante 3D fabrique le plus petit foie humain jamais conçu par un nouveau scientifique
- Les mini organes imprimés en 3D imitent le cœur et le foie battants du New Scientist
- Un organe qui imite les poumons de Popular Mechanics
- Une nouvelle imprimante 3D fabrique des tissus d'oreille, de muscle et d'os grandeur nature à partir de cellules vivantes de Science Alert
- Une bio-imprimante 3D pour imprimer la peau humaine à partir du nouveau service phys.org
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