Une nouvelle façon de réaliser un treillis pour cultures biologiques pourrait permettre de développer des cellules de forme et de taille très uniformes et potentiellement dotées de certaines fonctions. La nouvelle approche utilise une forme d’impression 3D extrêmement fine, utilisant un champ électrique pour dessiner des fibres d’un dixième de la largeur d’un cheveu humain.
Le système a été développé par Filippos Tourlomousis, un post-doctorant du Center for Bits and Atoms du MIT, et six autres chercheurs du MIT et du Stevens Institute of Technology du New Jersey. Les travaux sont publiés dans la revue Microsystems and Nanoengineering.
Alors que l’impression 3D ordinaire produit des filaments aussi fins que 150 microns (millionièmes de mètre), explique M. Tourlomousis, il est possible d’obtenir des fibres jusqu’à 10 microns de largeur en ajoutant un fort champ électrique entre la buse projetant la fibre et la platine dont la structure est en cours d’impression. La technique s’appelle l’électrolyse en fusion .
“Si vous prenez des cellules et que vous les posez sur une surface conventionnelle imprimée en 3D, c’est comme si elles étaient une surface en 2D», explique-t-il, car les cellules elles-mêmes sont beaucoup plus petites. Cependant, dans une structure en forme de maille imprimée à l’aide de cette méthode, la structure a la même échelle de taille que les cellules elles-mêmes, de sorte que leur taille, leur forme et la manière dont elles forment des adhérences au matériau peuvent être contrôlées en ajustant la micro-architecture poreuse du composant de la structure en treillis imprimée.”
Lui et l’équipe ont ensuite utilisé la microscopie confocale pour observer les cellules développées dans diverses configurations de fibres fines, certaines aléatoires, d’autres disposées avec précision dans des mailles de différentes dimensions. Le grand nombre d’images résultantes a ensuite été analysé et classé à l’aide de méthodes d’intelligence artificielle, afin de corréler les types de cellules et leur variabilité avec les types de micro-environnement, avec différents espacements et arrangements de fibres dans lesquels elles ont été cultivées.
Les cellules forment des protéines appelées adhérences focales aux endroits où elles se fixent à la structure. «Les adhérences focales sont la manière dont la cellule communique avec l’environnement externe», explique Tourlomousis. «Ces protéines ont des caractéristiques mesurables à travers le corps cellulaire nous permettant de faire de la métrologie. Nous quantifions ces caractéristiques et les utilisons pour modéliser et classer assez précisément les formes de cellules individuelles. ”
Pour une structure semblable à un maillage, «nous montrons que les cellules acquièrent des formes directement couplées à l’architecture du substrat et aux substrats électrosoudés à l’état fondu», ce qui permet d’obtenir un degré élevé d’uniformité par rapport aux substrats nontissés à structure aléatoire. De telles populations de cellules uniformes pourraient potentiellement être utiles dans la recherche biomédicale, a-t-il déclaré.
Il explique que, dans des travaux récents, son équipe et lui-même ont montré que certains types de cellules souches cultivées dans de telles maillages imprimés en 3D survivaient sans perdre leurs propriétés beaucoup plus longtemps que celles cultivées sur un substrat bidimensionnel conventionnel. Ainsi, il pourrait y avoir des applications médicales pour de telles structures, peut-être comme moyen de cultiver de grandes quantités de cellules humaines aux propriétés uniformes qui pourraient être utilisées pour la transplantation ou pour fournir le matériel nécessaire à la construction d’organes artificiels, dit-il. Le matériau utilisé pour l’impression est un polymère fondu déjà approuvé par la FDA.
La nécessité de contrôler plus étroitement la fonction cellulaire est un obstacle majeur à l’acheminement des produits d’ingénierie tissulaire vers la clinique. Toutes les mesures visant à resserrer les spécifications de l’échafaudage, et donc également à réduire la variance du phénotype cellulaire, sont indispensables à l’industrie, a déclaré Tourlomousis. Le système d’impression pourrait également avoir d’autres applications, explique M. Tourlomousis. Par exemple, il pourrait être possible d’imprimer des «métamatériaux», des matériaux synthétiques avec des structures en couches ou à motifs pouvant produire des propriétés optiques ou électroniques exotiques.
L’équipe comprenait Thrasyvoulos Karydis et Andreas Mershin du MIT, ainsi que Chao Jia, Hongjun Wang, Dilhan Kalyon et Robert Chang du Stevens Institute of Technology de Hoboken, dans le New Jersey. Le travail a été financé par la National Science Foundation.
Source: http://news.mit.edu – 25/03/19
Illustration: Eli Gershenfeld