Découvrez comment les nanocristaux de cellulose améliorent considérablement la précision et l’intégrité structurelle des structures bio-imprimées en 3D pour la médecine régénérative, tout en préservant la viabilité cellulaire, permettant ainsi la création de supports biomimétiques plus performants pour la cicatrisation des plaies et la recherche sur les maladies.
La cellulose nanocristalline optimise la bio-encre à l’alginate
Les hydrogels polymériques sont utilisés en ingénierie tissulaire et en médecine régénérative (TE&RM) pour créer des environnements tridimensionnels personnalisables qui imitent la matrice extracellulaire du corps humain et soutiennent les cellules de mammifères dans le développement de tissus. Ces matériaux ont récemment évolué en bio-encres, dans lesquelles les biomatériaux sont combinés à des cellules vivantes pour fabriquer des tissus artificiels via une méthode de fabrication additive appelée impression 3D biologique.
La bio-encre polymérique idéale pour l’impression 3D par extrusion doit s’écouler de manière fluide, retrouver sa forme après impression et réticulation, et bien sûr préserver la viabilité cellulaire. La création de bio-encres efficaces nécessite donc de trouver un équilibre entre des exigences rhéologiques opposées : les encres très visqueuses offrent une meilleure qualité d’impression, tandis que des encres plus fluides réduisent les forces de cisaillement à la sortie de la buse, qui peuvent endommager ou tuer les cellules, empêchant ainsi le développement du tissu souhaité.
Pour relever ce défi en impression 3D biologique, les chercheurs doivent naviguer dans la « fenêtre de biofabrication » : trouver le juste compromis entre les propriétés des matériaux permettant une impression efficace et celles soutenant la fonction cellulaire.
Vers des bio-encres modulables pour un avenir en santé
L’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative ont le potentiel de transformer les soins de santé en permettant la réparation ou le remplacement de tissus et d’organes endommagés ou perdus, améliorant ainsi la qualité de vie de nombreuses personnes. La capacité de concevoir des échafaudages tissulaires répondant précisément aux exigences biologiques est essentielle pour concrétiser cette vision.
Cependant, les paramètres optimaux d’impression dépassent souvent les limites étroites de la « fenêtre de biofabrication » traditionnelle. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre des stratégies visant à élargir la gamme des bio-encres compatibles avec l’impression.
Des solutions pour la bio-impression 3D plus efficace
Par exemple, on a exploré l’utilisation de bains de suspension à base de gels auto-récupérables pour soutenir des bio-encres polymériques peu visqueuses et empêcher l’effondrement des structures imprimées en 3D. Malheureusement, ces méthodes présentent de nombreuses limitations qui freinent leur adoption à grande échelle en ingénierie tissulaire et médecine régénérative.
D’autres encres polymériques, comme les matériaux à base d’alginate, ont été largement étudiées pour l’impression biologique, car elles forment des hydrogels compatibles avec les cellules. Cependant, leur utilisation en TE&RM présente plusieurs défis : les alginates, en tant que bio-encres peu visqueuses, ont tendance à s’étaler au repos, réduisant ainsi la résolution d’impression. Afin d’optimiser leur bioactivité et leur imprimabilité, les alginates nécessitent également d’être mélangés à d’autres biomatériaux, d’être ajustés en fonction de leur poids moléculaire et de leur concentration, ainsi que d’être imprimés en suspension.
Étendre les possibilités de bio-impression avec la cellulose nanocristalline
Les hydrogels et additifs à base de nanocellulose, y compris les nanocristaux de cellulose (cellulose nanocristalline, CNC), sont étudiés pour résoudre divers défis de l’impression 3D (comme l’extrusion directe de structures comestibles) et de l’ingénierie tissulaire grâce à leurs nombreuses propriétés uniques :
- Biocompatibilité
- Comportement rhéologique d’amincissement par cisaillement
- Excellentes propriétés mécaniques (module d’élasticité, résistance) et capacité de renforcement
Les nanocristaux de cellulose représentent un additif prometteur, naturel et accessible, permettant l’utilisation de bio-encres à faible viscosité pour une ingénierie tissulaire et une médecine reconstructive plus efficaces.
Bio-encres alginate-CNC pour une impression plus douce, plus précise
Read et ses collègues de l’Université de Manchester ont mis au point des mélanges hydrogel à base d’alginate (1 % p/v) et de CNC (1 % et 2 % p/v) en combinant les suspensions d’alginate et de CNC, en y ajoutant des cellules de chondrocytes, puis en réticulant le gel avec du chlorure de calcium. L’hydrogel ainsi obtenu a ensuite été imprimé en 3D, comme illustré sur l’image ci-dessus (barre d’échelle : 200 microns).
L’ajout de nanocristaux de cellulose à la bio-encre a apporté plusieurs avantages significatifs :
- Meilleure viabilité cellulaire – Les nanocristaux de cellulose améliorent l’amincissement par cisaillement de la bio-encre, ce qui permet une impression à plus basse pression, plus douce pour les cellules.
- Résolution d’impression accrue et meilleure fidélité de forme – Après impression, la viscosité plus élevée au repos de l’encre alginate-CNC permet des filaments plus fins et des structures biologiques plus précises.
- Stabilité mécanique améliorée – Les nanocristaux de cellulose renforcent le réseau imprimé, qui retrouve rapidement ses propriétés après des contraintes de cisaillement répétées.
- Distribution cellulaire homogène – Moins de sédimentation des cellules dans les structures imprimées par bio-encre alginate-CNC est observée, phénomène qui se produit lorsque l’encre est laissée au repos dans la cartouche d’impression.
Comment la CNC facilite l’impression de tissus fibrillaires
Le comportement d’alignement des nanocristaux de cellulose sous cisaillement pendant la bio-impression 3D par extrusion présente un autre avantage : les nanocristaux alignés dans les filaments de bio-encres imprimés pourraient servir de guide à l’organisation cellulaire, favorisant la formation de réseaux fibrillaires qui imitent de près des tissus biologiques comme le cartilage.
Les images de microscopie électronique de balayage ci-dessous montrent des coupes transversales de filaments issus de structures 3D imprimées, contenant 1 % p/v d’alginate et de CNC et séchées par lyophilisation (les flèches indiquent l’orientation directionnelle locale des nanocristaux de cellulose).
La CNC, un additif multifonction pour la bio-impression
Ajouter de faibles quantités (jusqu’à 1 % p/v) de nanocristaux de cellulose à des hydrogels peu visqueux offre des avantages considérables. La CNC permet une impression précise et des propriétés mécaniques renforcées, facilitant la création de structures biologiquement pertinentes pour favoriser la formation et la fonction tissulaires.
Qu’il s’agisse d’implants pour la réparation tissulaire ou de modèles pathologiques pour la recherche, une meilleure qualité d’impression peut se traduire par une meilleure qualité de vie pour de nombreuses personnes!
Comment CelluForce améliore les procédés et produits avec CelluRods®
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Pour en savoir plus, consultez l’article complet :
Nanocrystalline cellulose as a versatile engineering material for extrusion-based bioprinting – en anglais seulement.
