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date de publication03.02.2018
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Introduction

La médecine est une science qui consiste à restaurer la santé d’un patient et la faire perdurer par un traitement. Elle existe depuis toujours et à évoluer avec son temps grâce à de nombreuses innovations. Celles-ci ont permis l’avancé des recherches afin de mettre au point de nouvelles thérapies spécifiques à chaque pathologie. Mais la médecine n’est pas seulement scientifique puisque avec le serment d’Hippocrate que prononcent les médecins avant d’exercer, elle est lié à des obligations légales, morales et éthiques. C’est ainsi que les médecins promettent de servir les intérêts du patient. Une des récentes innovations de la médecine est l’imprimante 3D,  c’est un appareil qui permet par la fabrication additive la création d’un objet en 3 dimensions. La différence est que pour les besoins de la médecine, l’imprimante tridimensionnelle a été transformée en imprimante bio. Elle imprime alors avec une encre biologique des tissus vivants. La question que se pose la plupart des équipes médicale est la suivante : L’imprimante 3d est -t-elle une révolution pour la médecine ? (Nous allons tenter de répondre à cette problématique en deux parties. Dans un premier temps en étudiant les résultats concluant déjà entrepris, puis dans un deuxième temps nous montrerons le potentiel devenir de l’imprimante 3d et les problèmes qui y sont liés.)

I-

  1. Robot hand

Robothand est une prothèse mécanique de la main, imprimé grâce à une imprimante 3D.

Elle a était crée par Richard Van As, suite à un accident après lequel il a perdu deux doigts. C’est donc en 2011 qu’il se lance dans ce projet. Il rentre en collaboration avec Ivan Owen pour la conception de la prothèse. Grâce au don d’une imprimante 3d par MakerBot entreprise, ils ont pu se lancer dans la création d’un prototype. Le but premier du projet était de réaliser une prothèse fonctionnelle et à moindre coût. L’imprimante joue un rôle majeur dans la production peu couteuse, puisque l’impression des pièces (quel pièce de la prothèse sont imprimé en 3d ? + photos !) coûte seulement 2.50 $. En ajoutant le prix des pièces extérieur, ils obtiennent une prothèse qui vaut environ 150$, contre 10000$ pour une prothèse basique. ( photo robothand + prot classique : marquer les différences) Le pari est donc réussi ! Suite à ce succès, M.Van As via internet entre en contact avec des parents d’enfants atteint du syndrome des brides amniotiques, afin de tester à une plus grande échelle les biens faits de la prothèse. Cette prothèse possède plusieurs avantages : tout d’abord cette technique permet d’effectuer des retouches selon les besoins afin de s’adapter à la croissance de l’enfant. L’imprimante 3D permet donc d’affiner rapidement la conception en fonction des besoins de chaque individu. De plus le projet étant en cours de développement est en constante amélioration. Un des objectifs principales de ce projet est de rendre facile l’accès aux prothèses et pour un maximum de personnes. Pour cela, le fichier est en Open Source (libre service) sur le site Thingiverse. C'est-à-dire que toute personne ayants accès à une imprimante 3d et ayant besoin d’une prothèse peut l’imprimer à sa guise. Cette prothèse amène à la médecine que du positif : elle est moins couteuse ce qui permet aux patients de l’acquérir plus facilement et de retrouver une vie normal ou presque.

(Faire demo ou inculre dans doc la page de thingiverse : http://www.thingiverse.com/thing:305160)

B) Os
Chaque année des millions de personnes accidentées souffrent de fractures complexes ou difficiles à réparer. Avec cette nouvelle technique les médecins peuvent imprimer des structures osseuses épousant parfaitement chaque fracture. C’est la chirurgie orthopédique qui utilise de plus en plus ce procédé révolutionnaire.

Ceci est un exemple de création à l’aide de l’imprimante 3D.

La première étape consiste à créer une image 3D de l'os qui va être copié. Ensuite, l'image de l'os est insérée dans une imprimante 3D via un logiciel spécifique qui place les unes après les autres des couches très minces d'un matériau. La structure a été crée à l’aide de matériaux naturels qui existent dans le corps humain (par exemple le titane qui est biocompatible). Après avoir réussi à reproduire la forme, la copie elle-même dispose de petits pores sur sa structure. Ensuite les scientifiques prélèvent des cellules de moelle osseuse du patient pour qu’elles soient déposées avec un gel sur le dessus de la structure de l’os. Elles vont pouvoir se développer et complètement remplacer la structure biodégradable. Enfin la dernière étape sera l'introduction de celle-ci dans une souris pour que quinze jour plus tard cette structure soient transformée en os humain.

Il existe donc d'autres techniques comme aussi la création d'une structure osseuse à partir d’une poudre de céramique (car les os humains sont composés à 70% de molécules de céramique). Ensuite il suit le même fonctionnement où un « jet d’encre » termine de couvrir l’armature d’une couche de liant en plastique. L’ensemble est mis au four à 1250 degrés, pendant 120 minutes, puis placé en culture avec des cellules d’os humains.

Ces techniques de fabrication osseuse permettent aux chirurgiens de mieux préparer une opération, de gagner du temps et de la précision pour un meilleur résultat pour le patient. Elles évitent également d’avoir à prélever un fragment d’os sur l'individu malade. Mêmes si ces nouvelles techniques on un coût supplémentaires, elles peuvent être compensé par tous ces avantages.

C) Le Bio-printing

Les moyens utilisés par l'ingénierie tissulaire ou impression bio 3D sont très variés et comprennent la physique, les mathématiques, l'informatique, la biologique, la médecine ou encore la robotique.

Cette technique se déroule en plusieurs étapes, elle commence par le prélèvement de cellules chez le patient puis leur mise en culture. Ces cellules souches sont pluripotentes et leur phénotype peut être orienté vers différentes lignées cellulaires. Apres vient l'ensemencement de ces cellules sur le scaffold. Les scaffolds varient selon le tissus à reconstruire, il a donc une place cruciale dans la construction tissulaire par impression. Celui-ci possède plusieurs rôles:

• Il permet l'adhésion et la prolifération tissulaire

• Il favorise la pénétration des nutriments et des échanges gazeux.

•la reproduction de la forme spécifique de l'organe que l'on imprime et le maintien de cette forme dans le temps

• Sa structure poreuse solide permet l'ensemencement cellulaire et la mise en place de la vascularisation.

•Sa matière biodégradable admet après la reconstruction tissulaire, sa résorption donc le maintien des propriétés mécaniques du tissus.

Enfin, après un temps de maturation suffisant et le développement tissulaire terminé grâce à des facteur de croissance, le tissus peut être réimplanté sur le patient.

La bio imprimante ou bio printing permet ainsi l'impression d'éléments biologiques vivant (cellules) ou inertes (matrice extra cellulaire, facteurs de croissances) sans leur faire perdre leur fonction initiale. L'impression se fait grâces a des encres, mit au point par les chercheurs. L'imprimante est composée de deux bacs, l’un contient des cellules souches et l’autre du gel, ces deux liquides formeront alors des encres biologique. Ces encres sont des solutions hydrogels qui contiennent des cellules en phase acqueuse, des proteines, du colagène ou des bio-matériaux (hydroxapatite). C'est alors le temps de l'impression, grâce à un bras mécanique mobile dans l’espace, on dépose le mélange sous forme de gouttelettes. Les cellules sont assemblées en différentes couches, elles vont ensuite grandir et interagir après quelque cycle cellulaire, de manière à former un tissu musculaire fonctionnel, vivant, et semblable à celui du corps humain.

On pratique cette manipulation dans un endroit stérile et à température ambiante.

Les cartouches de l'imprimante classique ont donc été remplacées par des encres bio et les têtes d'impression ont été adaptées. Il existe plusieurs têtes d'impression :

• Celles thermiques, qui fonctionnent grâce à une impulsion thermique courte. Ces têtes d'impression permettent la survie de la majorité de cellules imprimées. De faibles concentration cellulaires sont utilisées, environ 10^5cellules/ml.

• Les Micro-Seringues dont le débit est contrôlé par un système pneumatique. Les résultats ont également montré une survie importante des cellules après impression.

De plus le bioprinting à pour avantages le maintien des propriétés des cellules après l'impression et une réimplentation chez le patient sans risque de réaction immunitaire, puisque se sont des cellules autologues

L'ingénierie tissulaire a déjà permis de fournir des tissus artificiels utilisés en clinique chez l'homme comme pour l'oreille, les vaisseaux sanguins, la peau...

Montré une observation d’un tissus imprimé et d’un tissus d’origine)

D) Oreille

L’oreille imprimé en 3D dit bionique, est appelé ainsi car, une fois fonctionnelle, elle permet d’entendre des ultras sons qu’une oreille humaine n’entend pas.

Pour fabriquer cette oreille, les bio-ingénieurs de l'université de Cornell ont commencés par scanner l’oreille d’un patient pour récupérer les images en 3D sur un ordinateur. Cette modélisation informatique va permettre par l'impréssion 3d la création d'un moule de cet organe.

http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/builds/images/thumbs/0/08c21c8a90_44794_oreille-artificielle-impression_lindsay%20france-cornell%20university%20photography_01.jpg

Ensuite, ce moule sera remplis d'un gel à base de protéines se présentant sous forme de fibres résistantes, de environ 250 milions de cellules bovines et de colagène, prélevé dans des queues de rats. C'est ce mélange qui va formé le cartilage de l'oreille. Après un pause, l'organe est démoulé et incubé dans une culture de cellules pendant 48h. les cellules vont ainsi se multiplier jusqu'a finir par enfin se rejoindre et former un seul et même tissus.

On greffe l’oreille une fois terminé, ainsi, le patient obtient une oreille fonctionnelle et esthétique.

Rubrique info pour le magazine :

homme augmenté!

Utilisation : 1 enfant sur 12500 nait avec une malformation de l'oreille externe, caractérisé par une perte d'ouïe. Les greffes de ces oreilles fabriquées à partir de cellules seraient moins rejetées que les implants synthétiques.

E) Vaisseaux sanguins

A l’heure d’aujourd’hui, les chercheurs arrivent déjà à créé des vaisseaux sanguins qui peuvent recouvrir qu’une très petite surface de tissu, sachant qu’ils nécessitent des millions de cellules souches à prélevés pour leurs création.

Une nouvelle méthode de création des vaisseaux sanguins a donc était développée à partir de sucre par des chercheurs de l’université de Pennsylvanie et du MIT. Pour cela, ils ont commencé par imprimer en 3D un réseau de filaments de sucres (représentant alors le réseau vénal souhaité). Le sucre est ensuite enrobé d’une substance moléculaire synthétisé à partir du mais et d’un gel à base de tissus cellulaire. Suite à cette étape, il faut attendre la solidification de la préparation. Afin de dissoudre le sucre à l’intérieur de l’enrobage et laisser place à un fin tuyau (alias future veine), les chercheurs rincent la préparation à l’eau. L’enrobage de tissus cellulaire est donc vide et peut donc accueillir le sang.

Cette méthode est peut être une alternative à l’impression complète en 3d de vaisseaux sanguins, pour permettre de recouvrir une plus grande surface. Puisque le principal problème actuel à la création d’organe est la difficulté à produire des vaisseaux sanguins sur une surface suffisamment grande.

Pour l’instant, les chercheurs se limitent donc à la création de vaisseaux sanguins qui permettraient la création et l’irrigation de tissus plus grands voir des réseaux sanguins puis des organes

Cependant malgré cette progression, certains tissus ou oragnes plus complexes ne peuvent pas encore être traités par l'impression 3D

II – Le bioprinting sur le long terme.

  1. La création d’organes vitaux

Le principale objectif de l'ingénierie tissulaire est le développement d'organes de remplacement. On parle alors d'Organ printing. C'est la fabrication assistée par ordinateur pour construire des matériaux ou tissus couches par couches en 3D, avec des éléments biocompatible. il s'agirait donc d'assembler différents types cellulaires, la matrice extra cellulaire et le réseau vasculaire afin de de former un oragane comme un rein.

Cela va bientôt faire environ 10 ans que les chercheurs du monde entier tentent de développer l’impression du vivant. En France une seule équipe travaille sur le sujet, c’est celle de Fabien Guillemot (Bordeaux). Plusieurs prouesses ont déjà étaient réalisées récemment, comme énoncés dans la partie précédente. Ces différents succès sont encourageant et rapproche les chercheurs peut à peut de leur objectif principale. Ce dernier est de réussir à imprimer des tissus cellulaires implantables sur le corps humain, pour un jour imprimer un organe complet.

Mais la réalisation de cet exploit demande une vascularisation importante. Car c’est le passage du sang dans les cellules qui permet leur oxygénation (nutriments+oxygène) et l’évacuation des toxines du métabolisme . Cette mise en place de la vascularisation n'est pas résolue actuellement pour des tissus volumineux.

Cependant les chercheurs de Harvard ont réussis a imprimer des vaisseaux appartenant à différents types de cellules. Pour y parvenir, ils ont mit au point des bio-encres spécifiques. Celles-ci forment un gel synthétique, qui mélangé aux cellules permettent aux tissus imprimés de garder la forme cylindrique donnée par l'aiguille de l'imprimante. Cette tête d'impression fonctionne par un système de coussin d'air, se déplaçant de manière tridimensionnel avec une précision nanométrique. Cette impression de fragment tissulaire est utile pour réparer les organes endommagés.

Au manque de vascularisation, s'ajoute le problème de reproduire l' l'architecture des tissus à toutes les échelles : macroscopique et microscopique.

Afin de palier à cette difficulté, le scaffold sert de moule permettant de contrôler l'architecture interne des matériaux. il existe différentes technique pour fabriquer un scaffold :

• Par Stéréolithographie. C'est la première technique mise au point et aussi la plus utilisée. Cette technique de prototypage est rapide et permet de fabriquer des objet solide à partir d'un modèle numérique. Cette démarche utilise les matériaux suivant : des polymère comme le Polyyéthylène Glycol. Elle se fait par la photo polymérisation, qui est une réaction chimique qui solidifie une espece de monomère présente à l'etat liquide au contact de la lumière d'un lazer UV, grace a la formation de chaine polymère. Cette photo-polymérisation solidifie la résine couche par couche afin de créer le scaffold. il reste immergé dans le bain de polymère pendant toute la procédure puis l'excès de résine est supprimé. Puis le scaffold est recuit au four à UV. Enfin on cellularise le scaffold pour qu'il soit biologique.

sla

La polymérisation dans le détail :

C'est la synthétisation des polymère à partir des monomères qui s'assemblent les unes avec les autres grâce à la formation de liaison covalente.

monomere


Polymérisation de l’éthylène vue en formule développée

Les monomères ont des liaisons doubles au niveau des 2 atomes de carbones alors que les polymères en on qu’une pour que les molécules se lient entre elles et forment de longues chaines.

un autre cas de polymérisation, le polystyrene:

styrene

lors de la polymérisation la double molecule de carbone s’ouvre pour assembler les molecules qui forme la macromolecule, et donc le polymere
 

• Par Frittage Sélectif Laser : Le lazer fritte une poudre composé de polymère et de céramique afin de former les couches succesives de matériau.

• Par impression 3D : Les matériaux sous formes de poudre (céramique et polymère) sont additionnés couche par couche grâce à une projection de colle.

L'impression d'organe entier n'est donc pas réalisable à ce jour compte tenu des contraintes rencontréés et de la technologie disponible, comme le précise le scientifique Fabien Guillemot, directeur des recherches sur le sujet en France, dans cette interview donné au site www.ledauphine.com.

Est-il envisageable de « fabriquer » un organe entier comme un rein ou un foie ?

« Cela me semble naïf. Nous sommes encore très loin de la possibilité de fabriquer un cœur, un foie ou un rein. Ces organes sont trop complexes pour être créés de toutes pièces, notamment avec les technologies disponibles. Par ailleurs, chacune de ces structures occupe plusieurs fonctions dans le corps humain. Serions-nous capables de reproduire un organe les remplissant toutes ? On ne sait pas encore comment se forment ces organes tout au long de leur développement. »

Quelle éthique encadre la reproduction du vivant ?

« La loi de bioéthique ne prévoit rien de spécifique à la bio impression. Par contre, nos recherches s’inscrivent dans le cadre de la réglementation entourant les recherches sur les cellules souches. Par exemple, au laboratoire, nous n’avons pas le droit de travailler avec des cellules souches embryonnaires.

Ensuite, pour les applications cliniques, c’est l’Établissement français du sang qui réalise les thérapies cellulaires. À l’avenir, d’autres problèmes éthiques se poseront peut-être avec l’amélioration des propriétés techniques. Mais nous en sommes encore loin. »

B) Une peau neuve sur mesure

L'impression d'une peau neuve sur mesure présente de nombreux avantages, le tissus autologue étant le matériau "idéal" pour tout types de grèffes. Les techniques de transplantations déjà développées à ce jour consistent à prélever de la peau du patient puis la réimplanter le greffon à l'endroit endommagé. Cette méthode n'est réalisable que pour un petit prélèvement de peau donc pour une surface limitée, le donneur pouvant être fragilisé lors des prélèvements.

De plus, la compatibilité HLA (Human Leucocytes Antigen) pose problème entre les donneur humains extérieur ou animaux, et le receveur, et des risques infectieux pour les tissus prélevés sur des cadavres. De plus les hétérogreffes ne permettent pas d'apporter les facteurs de croissances nécessaires à la régénération tissulaire.

Les scientifiques du Wake Forest Institute For Regenerative Medecine ont créé une bio-imprimante, qui scanne et cartographie la blessure du patient.

Cette impression de peau consiste tout d’abord, à scanner la blessure du patient pour entrer un programme d’impression dans l’imprimante. Une « cartouche » de l’imprimante envoie une enzyme et une autre projette simultanément un mélange de cellules, de collagène et protéines de plasma sanguin. Quand tous ces éléments sont mélangés, le sang coagule immédiatement. Une couche de fibroblastes est déposée. Celle-ci est composée de cellules qui maintiennent et assouplissent les tissus ainsi que d’autres cellules dermiques.

Le WFIFRM espère « imprimer » directement de la peau sur la blessure, sans avoir à en prélever sur d’autres parties du corps. C'est-à-dire que l’on disposerait l’imprimante au dessus de la blessure, puis on lancerait le système d’impression et la cicatrisation serait automatique. Cela permettrait au patient de subir une hospitalisation beaucoup moins longue (grâce à la cicatrisation accélérée). À terme, les chercheurs veulent construire une imprimante portable qui soignerait les soldats en mission.

Reste encore à créer des vaisseaux sanguins indispensables pour faire vivre les tissues.


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