Un modèle de cœur en 3D bio-imprimé développé par Adam Feinberg et son équipe.

Technique FRESH pour la bio-impression de modèles cardiaques réalistes

Les chercheurs ont développé un moyen d’imprimer en 3D un modèle grandeur nature du cœur d’un patient.

Produit à Université Carnegie Mellon par le professeur Adam Feinberg et son équipe dans les départements de génie biomédical et de science et génie des matériaux, le Le modèle de cœur humain bio-imprimé en 3D pleine grandeur utilise une nouvelle méthode, connue sous le nom de technique d’incorporation réversible de forme libre d’hydrogels en suspension (FRESH).

La technique de bio-impression 3D a été inventée dans le laboratoire de Feinberg pour répondre à une demande non satisfaite de polymères souples imprimés en 3D, qui manquent de rigidité pour rester sans support comme dans une impression normale. Le modèle réaliste imite l’élasticité du tissu cardiaque et des sutures.

Un modèle de cœur en 3D bio-imprimé développé par Adam Feinberg et son équipe.Collège d’ingénierie de l’Université Carnegie Mellon

Une imprimante 3D a été conçue sur mesure pour l’application FRESH afin de permettre l’impression d’un cœur humain à grande échelle. La particularité de l’imprimante est qu’elle comprend un bain de support de gel qui encapsule le cœur. De plus, des changements de logiciel étaient nécessaires pour maintenir la vitesse et la fidélité de l’impression.

Dans cette application d’impression 3D, une aiguille est utilisée pour injecter du bioink dans un bain d’hydrogel doux, qui soutient l’objet lors de son impression, ont noté les chercheurs. Une fois le modèle entièrement construit, un simple l’application de chaleur fait fondre l’hydrogel, ne laissant que l’objet bio-imprimé 3D, ont rapporté les auteurs dans Biomatériaux ACS Science et ingénierie.

La vidéo ci-dessous de l’American Chemical Society montre comment l’organe est produit.

Les matériaux utilisés

Bien que des modèles d’organes en taille réelle aient été reproduits à l’aide de techniques d’impression 3D, les matériaux ont tendance à ne pas reproduire la sensation par rapport aux propriétés mécaniques des tissus naturels. Les auteurs ont noté que ssouvent, les matériaux ressemblant à des tissus, tels que les caoutchoucs de silicone, s’effondrent souvent lorsqu’ils sont imprimés en 3D à l’air, ce qui rend difficile la reproduction de grandes structures complexes.

Les chercheurs ont utilisé de l’alginate, un matériau peu coûteux à base d’algues qui possède des propriétés matérielles et mécaniques similaires à celles du tissu cardiaque. Ils ont également placé des sutures dans un morceau d’alginate pour les maintenir même lorsqu’ils sont étirés. Les chercheurs ont déclaré que ces propriétés suggèrent que les chirurgiens pourraient s’entraîner à coudre un modèle de cœur fabriqué à partir du matériau d’alginate.

Un modèle de cœur en 3D bio-imprimé développé par Adam Feinberg et son équipe.Un modèle de cœur en 3D bio-imprimé développé par Adam Feinberg et son équipe.Collège d’ingénierie de l’Université Carnegie Mellon

L’équipe de recherche a utilisé le dispositif médical et les scans d’imagerie par résonance magnétique (IRM) d’un patient pour modéliser et imprimer un cœur humain adulte en taille réelle, ainsi qu’une section d’artère coronaire qu’ils pourraient remplir de sang simulé.

Le modèle cardiaque était structurellement précis, reproductible et pouvait être manipulé à l’extérieur du bain de gélatine. La méthode pourrait également être appliquée à l’impression d’autres modèles d’organes réalistes, tels que les reins ou le foie, ont déclaré les chercheurs.

L’oeuvre est une promesse immédiate pour les chirurgiens et les cliniciens, ainsi que des implications à long terme pour l’avenir de recherche d’organes issus de la bio-ingénierie.

Une aiguille imprime l'alginate dans un bain d'hydrogel, qui est ensuite fondu pour laisser le modèle fini.Une aiguille imprime l’alginate dans un bain d’hydrogel, qui est ensuite fondu pour laisser le modèle fini.Collège d’ingénierie de l’Université Carnegie Mellon

«Nous pouvons maintenant construire un modèle qui permet non seulement la planification visuelle, mais aussi la pratique physique», a déclaré Feinberg. «Le chirurgien peut le manipuler et le faire réagir comme un vrai tissu, de sorte que lorsqu’il arrive sur le site d’opération, il dispose d’une couche supplémentaire de pratique réaliste dans ce contexte.»

Comme indiqué ci-dessus, le papier a été publié dans ACS Biomaterials Science and Engineering, et a été co-écrit par les étudiants de Feinberg Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski et Rachelle N. Palchesko, avec l’ancien étudiant Eman Mirdamadi.

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