A) DEFINITION

La bio-impression consiste à imprimer, grâce aux différentes techniques d'impression 3D, des tissus vivants à partir de l'assemblage, couches par couches, de cellules vivantes.

Contrairement à l'impression classique 3D, la Bio-impression implique de considérer une 4ème dimension : la dimension temporelle au cours de laquelle les cellules imprimées vont s'organiser, migrer et se différencier de manière autonome pour former des tissus fonctionnels.

La bio-impression vise donc à guider les processus d’auto-organisation cellulaire qui se produisent naturellement au cours de l’embryogenèse, du développement ou encore lors du remodelage tissulaire.

B) QUEL EST LE RÔLE DES CELLULES ?

1) Définition

Une cellule est un élément de base fonctionnel et structural qui compose les tissus et les organes des êtres vivants.

Elle contient l'ADN (Acide DésoxyriboNucléique), l'information génétique de l'individu.

2) Les cellules souches et la recherche scientifique

Les êtres vivants sont créés à la base par une unique cellule qui se divise pour composer le corps humain, c'est la cellule oeuf. Il s'agit en fait d'un ovule fécondé. Cette cellule se divise en de nombreuses cellules souches embryonnaires.

Les cellules souches embryonnaires sont issues de l'embryon à un stade très précoce de son développement.

Ce sont des cellules dites "pluripotentes", c'est-à-dire qu'elles peuvent se répliquer indéfiniment et se différencier en différents types de cellules qui composent un organisme adulte.

Ces propriétés ouvrent de nombreuses perspectives, non seulement pour l’étude des maladies génétiques et la mise au point de traitements, mais également pour la médecine régénérative et la création de toute pièce de tissus et d'organes : c'est ici qu'intervient la bioimpression.

Malheureusement, celles-ci ne se trouvent que dans l’embryon de 5 à 7 jours et leur prélèvement entraîne la destruction de l'embryon. C'est pourquoi l'utilisation de ces cellules est fortement réglementée, elle pose des problèmes éthiques.

Pour que les recherches puissent tout de même avancer, les chercheurs utilisent des cellules de cordons ombilicaux pour leurs expériences. Le sang des cordons contient des cellules souches sanguines, qui sont capables de produire toutes les autres cellules trouvées dans le sang, y compris les cellules du système immunitaire.

3) En Bioimpression

Dans le domaine de la bioimpression, puisqu'il n'est pas encore possible d'utiliser des cellules pluripotentes, on emploie des bioencres.

Une bioencre est un biomatériau, il s'agit d'une solution composée de cellules vivantes, d'une gélatine et d'un élément nutritif. La gélatine permet d'acquérir une certaine viscosité qui est très importante pour contrôler le placement des cellules et éviter les effondrements.Quant à l'élément nutritif, il garantit la survie des cellules suite à l'impression.

Les bioencres ressemblent aux encres d'impression papier dans le sens où, comme les encres de couleurs, chaque bioencre ne contient qu'un seul type de cellule.

Par exemple, pour imprimer de la peau  on utilise deux bioencres, l'une composée de fibroblastes et l'autre de kératinocytes. 

Les bioencres doivent remplir des critères bien précis pour être fonctionnelles. Ces dernières sont actuellement au coeur de nombreuses recherches, c'est pourquoi la composition des bioencres est très souvent gardée secrète.

Dans le domaine médical, pour imprimer un tissu directement sur une blessure, il serait nécessaire de créer une bioencre composée des cellules du patient afin que le tissu bioimprimé soit accepté par l'organisme.

La fabrication d'une telle bioencre commence avec une biopsie du patient pour récupérer des cellules. Ensuite, celles-ci sont cultivées dans un milieu nutritif, dans lequel elles grandissent et se multiplient.

Enfin, quand il y a suffisamment de cellules, elles sont collectées pour créer la bioencre.

Cependant, cette méthode est longue. Ainsi, les chercheurs travaillent actuellement à la création d'une bioencre qui s'adapterait à tous les individus, une bioencre standard facilement reproductible.

C) CONCEPTION D'UN TISSU BIOLOGIQUE

La fabrication d’un tissu biologique par bioimpression 3D se décompose en plusieurs étapes :

- la Conception Assistée par Ordinateur de l’architecture (CAO) du tissu biologique au cours de laquelle l’organisation spatiale de l’ensemble des constituants des tissus est définie (en s'inspirant par exemple de l’architecture des organes et tissus observée par imagerie médicale ou microscopie cellulaire)

- la programmation des paramètres d’impression des encres (contenant les cellules) qui permet notamment de définir la résolution

 - l’impression couche par couche des tissus biologiques à l’aide d’automates qui reproduisent les motifs conçus par ordinateur en déposant des micro-gouttelettes d’encre biologiques

- la maturation du tissu imprimé qui permet aux cellules de « s’auto-organiser » (4D) jusqu’à faire émerger des fonctions biologiques spécifiques.

D ) LES DIFFERENTES METHODES DE BIOIMPRESSION

En bioimpression, les machines utilisées sont inspirées des techniques d'impression 3D mais sont adaptées pour l'utilisation de cellules.

a) Le jet d'encre

Cette technique est la plus proche de l'imprimante 3D.  

La tête d'impression projette des microgoutelettes de bioencre. L'éjection de la goutte est provoquée par un procédé thermique ou piezo-électrique.

Les imprimantes à jet d'encre présentent certains avantages comme un temps de préparation et d'impression faible ainsi qu'un coût peu élevé.

Malheureusement, elle comprend de nombreux inconvénients. Non seulement, elle permet d'imprimer des bioencres peu concentrées en cellules pour éviter l'obstruction de la buse, cette imprimante est aussi peu précise ce qui peut parfois empêcher les développements et la survie des cellules.

Cette technologie n'est donc pas la plus adaptée car elle est incapable d'imprimer des tissus complexes.

b) Bioextrusion

Cette technique utilise deux buses qui sont en fait des micro-seringues. La première contient un hydrogel et la deuxième les cellules, ces constituants sont poussés mécaniquement à travers les seringues. La machine imprime en alternant une couche de chaque élément. L'hydrogel permet de maintenir les couches de cellules lors de l'impression, toutefois, son rôle est temporaire puisqu'il est en suite dissout lors de la phase de maturation. 

Les imprimantes par bioextrusion permettent d'imprimer des bioencres très concentrées. Aussi, elle se caractérise par sa simplicité et fut la première technique mise sur le marché.

Cependant, ces machines se caractérisent par un prix élevé, une résolution moyenne, de l'ordre d'une centaine de micromètres, et une impression très lente. De plus, le taux de survie des cellules suite à la bioimpression est bien plus faible que pour les technologies jet d'encre et laser.

c) Bioimpression par Laser

Cette dernière technique, développée par l'institut de recherche INSERM basé à Bordeaux, utilise la technologie laser. Une impulsion laser est reflétée et dirigée par un miroir puis traverse une lentille (qui permet de focaliser, c'est-à-dire concentrer sur un point précis) et atteint  la cartouche de bioencre. En entrant en contact avec cette cartouche, l'impulsion laser est absorbée et une microgouttelette  de bioencre est libérée.

Cette action est répétée jusqu'à 10 000 fois par seconde. Cette technologie est très précise puisqu'elle peut contrôler le placement à l'échelle de la cellule. 

Grâce à cette précision, le dispositif de balayage optique permet la formation de motifs complexes.

Ainsi, cette méthode offre une haute résolution et l'absence d'orifice assure un taux de survie des cellules de plus de 90%.

Malheureusement, l'imprimante laser de l'institut INSERM est pour le moment la seule existante.

E) AVENIR

Aujourd'hui, la bioimpression n'en est encore qu'au stade de la recherche. Cependant, si des chercheurs travaillent jour après jour pour faire évoluer cette technique, c'est que différentes applications pourraient permettre de grandes avancées scientifiques et médicales.

Tout d'abord, la bioimpression pourrait être une alternative aux tests sur les animaux. Dans l'industrie cosmétique, ces derniers sont interdits dans l'ensemble de l'union européenne depuis 2013. Dans le secteur pharmaceutique ces tests sont toujours effectués car considérés comme une étape indispensable. Il serait possible de remplacer les animaux par des tissus de peau bioimprimés, mais cela nécessiterait une production à grande échelle. 

Par la suite, l'utilisation des bioimprimantes dans la recherche médicale pourrait aboutir à de très grands progrès en terme de lutte contre le cancer. Il est déjà possible d'imprimer des tumeurs cancéreuses, permettant ainsi aux chercheurs de tester différentes solutions. Une fois encore, cette production reste limitée.

Enfin, le but ultime de la bioimpression est d'imprimer des organes complexes et fonctionnels afin de satisfaire la demande d'organes qui ne cesse d'augmenter. Ainsi, un organe endommagé serait remplacé par un neuf et l'espérance de vie du receveur serait prolongée pour de nombreuses années.

En résumé, de nos jours, il existe déjà différentes possibilités d'utilisations de la bioimpression mais qui restent freinées par certaines limites.