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50 ans de Lune

© NASA, 1968

Apollo, conquête spatiale et apports scientifiques

"Un petit pas pour l'homme, mais un grand pas pour l'humanité", les mots de Neil Armstrong sont restés dans l'Histoire, comme l’empreinte de la chaussure de Buzz Aldrin restera sur la Lune ...

CRISPR-Cas9, une révolution et des dérives

Une modification aux effets secondaires indésirés

En novembre 2018, un scientifique chinois révélait au monde entier qu'il avait réussi à créer des bébés génétiquement modifiés. Cet apprenti Frankenstein a modifié in vitro un

Sommes-nous seuls dans l'univers ?

Un peu d'histoire

A l'aube de la civilisation, la vie extraterrestre est envisagée par le prisme des dieux et divinités. Les Incas pratiquent des sacrifices, et les Aztèques tracent de grandes figures au sol destinées ...

Une demi-vie qui dépasse l'âge de l'univers

Construit 1500 m sous le sol italien, le Laboratoire National de San Grasso (LNSG) accueille le détecteur XENON1T, résultat de la collaboration internationale de plus de 160 chercheurs venus d'Europe, des États-Unis et du Moyen Orient. Le 29 avril 2019, ils annonçaient l'observation de la désintégration ...

Bio-plastique et Crustacés

@FranklinMedina

Depuis quelques années, les bioplastiques représentent un enjeu environnemental et économique majeur. Le terme bioplastique englobe les plastiques bio-sourcés, c'est-à-dire qui proviennent de matière organique, et des plastiques d'origine fossile, mais biodégradables. ...

L'homme augmenté et le transhumanisme

@Jhonny Linder

Une idéologie controversée

Le transhumanisme est un mouvement intellectuel et culturel qui prône l'usage des sciences pour l'amélioration des capacités physiques comme mentales de l'homme. Jusqu'à présent, le progrès ...

Lithium et troubles bipolaires

Une action à élucider

Les troubles bipolaires se traduisent par une vie rythmée d'épisodes de dépression entrecoupés de phases maniaques, c'est-à-dire d'états de grande excitation pathologique. Sur le long terme, on observe une perte de la matière ...

Un gel reconstructeur

© Wiki Commons

 

Un espoir pour réparer les tissus

Une équipe de chercheurs de l’Université Johns Hopkins School of Medecine à Baltimore (États-Unis) a développé un gel qui mime la micro-architecture et les propriétés mécaniques des tissus mous. Ce gel permettrait de guérir plus vite et sans déformation ni cicatrice. Testé sur des rats et des lapins, il a montré une nette amélioration de la cicatrisation. Il pourra être utilisé après des excisions de tumeur, des malformations congénitales, des brûlures, des blessures importantes ou même contre le vieillissement. Injectable par aiguille, il serait beaucoup moins traumatisant pour les patients que les transplantations de peau utilisées depuis une quinzaine d'années. Elles nécessitent en effet le prélèvement de tissus sur une autre partie du corps, laissant de nombreuses cicatrices. Dans certains cas, des implants synthétiques de peau sont utilisés mais les cellules immunitaires réagissent mal et rejettent parfois l’implant, provoquant, là aussi, des cicatrices.« Dans les greffes de peau il n’y a que l’épiderme qui est recréé ce qui ne permet pas de souplesse. Il faut un derme artificiel pour reconstruire une peau totale» explique Michael Atlan, chef de service à l'APHP au service de chirurgie plastique reconstructrice et esthétique, microchirurgie, régénération tissulaire et chercheur au laboratoire LVTS de BICHAT INSERM et membre du centre de recherche De St Antoine du Pr Bruno Feve, spécialisé dans l'étude du tissu graisseux . « On peut aussi utiliser des tissus animaux décellularisés pour construire une architecture 3D. Cette technique est souvent utilisée en reconstruction mammaire. »

Une matrice en nanofibres

Ce gel est composé de nanofibres en polymère biodégradable (nanofibres de polycaprolactone). Ce type de polymère était déjà connu et utilisé pour réaliser les points de suture. Les nanofibres sont similaires à la matrice extracellulaire. La matrice extracellulaire est une structure située à l'extérieur des cellules. Elle fournit un support structurel pour les cellules et les tissus et sert de ciment intercellulaire. « La polycaprolactone est très utile car elle se résorbe. Elle maintient l’architecture le temps que se fixent les cellules » ajoute Michael Atlan. Cependant, elles ne sont pas injectables et ne produisent pas le volume ni les propriétés mécaniques nécessaires à la reconstruction tissulaire. C’est pourquoi les nanofibres de polymères sont imbibées d’acide hyaluronique. Selon le chirurgien, « l’acide hyaluronique est un composant naturel de la matrice extracellulaire. Il facilite la reconstruction des tissus et leur hydratation ". Il était déjà utilisé par les chirurgiens pour aider la cicatrisation des petites blessures. Il se lie aux macrophages (cellules immunitaires) ce qui permet de lutter contre l’inflammation. Il induit aussi une angiogenèse (création de nouveaux vaisseaux sanguins). Après l’injection, le gel crée des liaisons entre l’acide hyaluronique et les cellules. Cela entraîne la création d’une matrice élastique, squelette permettant aux cellules du corps humain de se greffer dessus. « Le gel sera injecté en complément de cellules souches qui viendront coloniser la matrice» explique Michael Atlan. Cette structure poreuse laisse passer les cellules utiles à la cicatrisation et favorise l’angiogenèse. « L’alliance d’une matrice 3D avec des cellules souches permet de recréer un derme. Les cellules souches sont issues de la graisse, elles se différencient pour s’adapter au receveur » conclut Michael Atlan.

 

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Impression 3D : applications médicales
Le secteur médical n'échappe pas au boom de l’impression 3D Panorama de quelques applications.

Derrière l'impression 3D, se cache la fabrication additive, un procédé qui consiste à former des objets par ajout successif de fines couches de matière (plastique, résine, métal, etc…), d'épaisseur généralement inférieure à 150 microns. La technique d'impression 3D se fonde sur une modélisation 3D de l'objet à réaliser et sur des appareils capables de déposer ces couches de matériau pour obtenir la forme souhaité. Si elle a vu le jour en 1983, l'impression 3 D s'est largement répandue depuis l'apparition des imprimantes 3 D en 1996. Aujourd'hui, grâce à sa précision et à la baisse des coûts, l'impression 3D est de plus en plus utilisée dans une large variété d'applications, y compris en médecine.

Se préparer à l’opération

L’une des applications médicales d’intérêt pour l’impression 3D consiste à rendre palpable et à donner une forme tridimensionnelle, physique, aux informations issues de l’imagerie médicale (IRM, scanner, rayons X). L'impression 3 D permet aujourd’hui de fabriquer des répliques d’organes tels que le rein ou le cœur, ou de tumeurs. Ces modèles, réalisés avec une grande précision, permettent aux chirurgiens d’apprécier la complexité de la zone à opérer et de préparer au mieux l’intervention en étudiant les voies d'accès.

Mis en oeuvre dès janvier 2015 aux Etats-Unis pour préparer des opérations complexes du cœur, ce procédé est aussi  adopté en France. Fin 2015, le docteur Jean-Christophe Bernhard du CHU de Bordeaux a ainsi opéré un rein atteint d’une tumeur en s'exerçant sur une réplique imprimée en 3D de l'organe, réalisée à partir de coupes obtenues par tomographie (scanner).

Ce type de protocole préopératoire personnalisé n’est pas la seule application médicale de l’impression 3D.

Greffes et implants

En 1999 est greffée la première prothèse entièrement imprimée en 3D sur un être humain. Il s'agit d'une vessie qui s'adapte aux besoins physiologiques du patient. Il s'agit d'une avancée médicale majeure qui ouvre la voie à un large éventail de possibilité, illustré par les exemples qui suivent :

  • En 2012, aux Pays-Bas, c’est une mâchoire imprimée en 3D, uniquement faite de titane, qui est greffée sur une patiente âgée, précisons-le, de 83 ans. C’est une première mondiale. En plus de réaliser une réplique sur-mesure d’une mâchoire inférieure, ce procédé a permis de réduire la durée de l’intervention à 3-4 heures, contre 12-20 heures pour une intervention classique.
  • En 2012, en Belgique, c’est tout le côté gauche d’un visage réalisé en silicone, par impression 3D, qui a été greffé sur un patient atteint d’une tumeur ayant nécessité l’ablation d’une partie de son visage. Toujours dans la reconstitution faciale, ce sont aussi des nez, imprimés en 3D, qui sont greffés, notamment en France et aux Etats-Unis, dès 2013.
  • En 2013, c’est aussi la toute première greffe de trachée, imprimée en 3D, réalisée sur un bébé de quelques semaines. La prothèse, fabriquée en moins de 24 heures, a été faite en plastique bio-compatible. Cette matière est bio-résorbable par le corps humain, sous 3 ans. Elle évite ainsi une intervention chirurgicale supplémentaire pour retirer la prothèse.
  • En 2014, trois greffes impliquant des imprimantes 3D ont fait parler d’elles. En Hollande, une prothèse de crâne imprimée en 3D a été réalisée pour une patiente atteinte d’une maladie responsable de l’épaississement  de son crâne, augmentant sans cesse la pression sur son cerveau. Il aura fallu 23 heures pour implanter la prothèse, faite entièrement de matière plastique. Ce fut une première mondiale, mais aussi un succès, le dispositif présentant de meilleurs résultats que la méthode traditionnelle, au point que la pratique pourrait bien se généraliser.
  • Autre première mondiale, en France cette fois-ci. Un implant vertébral entièrement fabriqué par impression 3D a été greffé sur un patient de l’hôpital Jean-Mermoz de Lyon.  Cet implant, fait sur mesure de polymères implantables et de titane, s'est auto-positionné dans son espace naturel et a totalement fait corps avec la colonne vertébrale. L’implant, réalisé par la société MEDICREA, a été créé à partir d’un modèle 3D des images scanner pré-opératoires du patient. 
  • Aux Pays-Bas, c’est une prothèse d’épaule qui a été greffée. Là aussi, un scanner préopératoire a permis de réaliser un implant qui s’adapte parfaitement à l’anatomie du patient, lui permettant de retrouver presque tous ses mouvements.  
  • Enfin, l’impression 3D s'applique à la fabrication de bras et de mains artificiels, notamment pour les enfants. En France, le premier à en bénéficier est âgé de 6 ans. Bien que les fonctionnalités du membre artificiel soient rudimentaires (il n’est pas relié aux nerfs), l'intérêt est le faible coût et l'accessibilité, liés à la standardisation du procédé.

La bio-impression

Depuis ses premiers pas dans le secteur médical, l’impression 3D a permis d’améliorer la qualité des implants et des prothèses, faisant le succès des opérations, qui dépasse celui des méthodes classiques. Cependant, son intérêt dans ce secteur ne s’arrête pas là.

Aux Etats-Unis, grâce à une nouvelle technique baptisée Integrated Tissue and Organ Printing System (pour "Système intégré d'impression de tissus et d'organes"), des chercheurs de la Wake Forest School of Medecine sont parvenus à mettre au point un système d’impression 3D capable de créer des tissus et des organes du corps humain.  Comment ? Grâce à une structure en réseau, composée de minuscules canaux, imprimée couche par couche à partir d’un mélange de cellules et d’hydrogel, semblable en apparence à du plastique. C’est cette configuration qui marque le grand pas en avant de la bio-impression.

Après avoir été greffée chez un être vivant, la structure en réseau permet à l’assemblage de cellules d’avoir accès aux nutriments et de pouvoir créer un réseau sanguin vascularisé. C’est sur ce dernier élément que planchait la bio-impression. La structure imprimée, bio-dégradable, disparait ensuite pour laisser place aux cellules qui ont pris une forme solide et qui poursuivent leur développement sanguin. Il suffit ensuite d’extraire le greffon.

Aujourd’hui, la Wake Forest School of Medecine peut recréer, oreille, morceau de crane et mandibule, en greffant les réseaux cellulaires imprimés sous la peau de souris. Les greffons récupérés doivent maintenant être testés sur un corps humain. En attendant, les avancées sur la (bio-)impression semblent déjà être une nouvelle voie à la chirurgie conservative et reconstitutrice.   

 

Pour en savoir plus :

Histoire de l'impression 3D - article de SupInfo

A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity - article de Nature Biotechnology

Des chercheurs créent une imprimante 3D capable de fabriquer des tissus et organes humains - article de maxisciences

 

La rédaction de Sciences en Ligne
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