Peau, foie, cartilage… Dans une armoire réfrigérée, des fioles sont soigneusement rangées et étiquetées. À l’intérieur, en suspension dans un liquide nutritif, flottent des cellules souches fournies par l’une des plus grandes biothèques françaises dédiées à la recherche clinique. Pour les chercheurs de la plateforme 3d.FAB, sur le campus de La Doua à Villeurbanne, ces flacons renferment de véritables matières premières destinées à une toute nouvelle technique de fabrication : la bio-impression.
Depuis sa création en 2015, ce centre de recherche rassemble des scientifiques spécialisés en médecine régénérative. Leur objectif : l’impression sur mesure de tissus humains pour « reconstruire » des patients. Une technologie qui n’a rien de la science-fiction. Les chercheurs ont déjà réussi à imprimer des dermes et des épidermes fonctionnels, des structures associant fibroblastes et cartilages. Ils souhaitent désormais s’attaquer à des organes plus complexes, vascularisés. De quoi imaginer la médecine de demain.
Des brevets à chaque étape
Christophe Marquette, le coordinateur de 3d.FAB et directeur adjoint de l’Institut de chimie et biochimie moléculaires et supramoléculaires, ne cache pas sa fierté face aux réalisations et au développement de cette plateforme. « C’est un lieu de recherche unique dans le domaine de la bio-impression, explique-t-il. Nous contrôlons toutes les étapes de la production de tissus, depuis la formulation de la bio-encre jusqu’à la maturation des tissus, en passant naturellement par le procédé d’impression en lui-même. Nous avons déposé des brevets pour toutes les étapes. »
La plateforme, qui a reçu en décembre 2020 la certification ISO 13 485 pour le prototypage et la fabrication de dispositifs médicaux, comprend trois grandes parties, en environnement stérile. La première permet de conserver les cellules souches et de les associer à un hydrogel pour préparer les bio-encres, la deuxième est la zone de bio-impression et la troisième est affectée aux bioréacteurs pour accroître le développement des cellules. Ces zones communiquent entre elles au moyen de passe-plats stériles, qui permettent de faire transiter les produits contenant les cellules. Au centre de tout ce dispositif, se trouve la machine de bio-impression. Le 3d.FAB a reçu en décembre un appareil créé sur mesure par l’entreprise américaine BioAssemblyBots. Sa particularité ? Un bras robotisé à six axes directement intégré dans la chambre d’impression. C’est lui qui assure le dépôt de la bio-encre dans laquelle flottent des milliers de cellules en suspension.
Préserver les cellules
Après quelques pressions sur un écran tactile, le bras s’anime et se saisit d’un effecteur rangé sur une étagère dans la chambre d’impression. Le dispositif est impressionnant : d’un côté, un réservoir de 500 millilitres, de l’autre, un long cylindre se terminant par une fine canule qui dépose des gouttelettes de bio-encre. Ce système constitue une innovation majeure pour garantir la précision du dépôt : il combine les avantages de l’extrusion mécanique et de l’extrusion pneumatique pour éviter d’endommager les cellules en suspension dans le liquide.
« Les procédés d’extrusion mécanique – un piston poussant le liquide – ne sont presque plus utilisés en bio-impression, car ils génèrent un stress important sur les cellules, en tuant un grand nombre, explique Christophe Marquette. On leur préfère l’extrusion pneumatique qui conserve un taux plus élevé de cellules vivantes. Mais les systèmes pneumatiques ont des limites concernant le dosage des bio-encres. Nous en utilisons un pour pousser la bio-encre dans un réservoir de l’effecteur, puis une vis sans fin vient déposer la juste quantité de liquide avec une précision de 800 micromètres. »
Un filament s’échappe de la canule et le bras robotisé le dépose avec précision sur le plateau de la chambre d’impression. Couche après couche, une structure en trois dimensions apparaît, formant un quadrillage. Cet élément constitue un échafaudage sur lequel se développeront les cellules contenues dans la bio-encre. Pour obtenir ce résultat, une seconde étape doit intervenir : la maturation du tissu.
Des conditions de développement contraignantes
Dans la dernière pièce du laboratoire, se trouve l’unité affectée à la croissance des tissus. Plusieurs bioréacteurs sont reliés à des équipements de mesure et de contrôle, attendant que les échantillons y soient placés dans un bain de liquide nutritif composé d’acides aminés et de vitamines. « Le bioréacteur maintient le produit à une température de 37 °C, avec 5 % de CO2 et un pH de 7 », précise Christophe Marquette. Le bon contrôle de cette phase permettra aux cellules de se multiplier pour former un tissu fonctionnel. La maîtrise de cette étape est cruciale. Le 3d.FAB travaille sur une amélioration de ce procédé pour le rapprocher encore davantage de ce qui se passe concrètement dans le corps. En effet, le développement des nombreuses cellules humaines ne se passe presque jamais dans des conditions constantes.
« Nous travaillons sur un moyen pour piloter intelligemment les conditions du milieu de culture afin de favoriser le développement de telles ou telles cellules à des moments clés, confie Christophe Marquette. Par exemple, pour un tissu comportant des fibroblastes et des cellules vasculaires, on va inciter la vascularisation en diminuant le taux d’oxygène dans le milieu de culture. Les variations de température peuvent également influencer le développement de certaines cellules. » Un procédé qui devrait permettre d’aboutir à des tissus de plus en plus complexes et fonctionnels, se rapprochant toujours davantage de leurs modèles vivants.
Famille de procédés Extrusion de matière
TRL 3-4
Forces Précision de la fabrication, meilleure biocompatibilité des implants
Faiblesses Processus en deux étapes, nécessité de comprendre et maîtriser le développement du vivant
