Une imprimante 3D à ultrasons pourrait un jour réparer les organes du corps sans chirurgie

Un morceau dodu de cuisse de poulet frais de la ferme reposait sur une surface immaculée à la Harvard Medical School. Avec la peau et l’os, il a été tranché avec précision pour à peine casser l’os.

Un bras de robot a fait un écart, a scanné la casse et a soigneusement injecté un cocktail liquide d’ingrédients dans la fissure, dont certains isolés d’algues. Avec plusieurs impulsions d’ultrasons, le liquide s’est durci en un matériau semblable à un os et a scellé la fracture.

Ce n’était pas un dîner-spectacle avant-gardiste. Il s’agissait plutôt d’une expérience innovante visant à voir si les ultrasons pourraient un jour être utilisés pour imprimer en 3D des implants directement à l’intérieur de notre corps.

Dirigé par le Dr Yu Shrike Zhang du Brigham and Women’s Hospital et de la Harvard Medical School, un étude récente combine les propriétés uniques des ultrasons et de l’impression 3D pour réparer les tissus endommagés. Au cœur de la technologie se trouve un mélange de produits chimiques qui se gélifient en réponse aux ondes sonores – une concoction surnommée « sono-ink ».

Lors d’un test, l’équipe a imprimé en 3D une forme d’os caricatural à l’intérieur d’un gros morceau de poitrine de porc isolée, les ultrasons pénétrant facilement les couches de peau et de tissus gras. La technologie a également créé des structures ressemblant à des ruches à l’intérieur de foies de porc isolés et une forme de cœur dans les reins.

Cela peut paraître macabre, mais le but n’est pas d’imprimer en 3D des émojis à l’intérieur de tissus vivants. Au lieu de cela, les médecins pourraient un jour utiliser les ultrasons et l’encre sono pour réparer directement les organes endommagés à l’intérieur du corps, comme alternative à la chirurgie invasive.

Comme preuve de concept, l’équipe a utilisé de l’encre sono pour réparer une région brisée d’un cœur de chèvre isolé. Après quelques échographies, le patch obtenu s’est gélifié et s’est parfaitement intégré au tissu cardiaque environnant, devenant essentiellement un bandage biocompatible et extensible.

Un autre test a chargé l’encre sono avec un médicament de chimiothérapie et a injecté la concoction dans un foie endommagé. En quelques minutes, l’encre a libéré le médicament dans les zones blessées, tout en épargnant la plupart des cellules saines environnantes.

La technologie offre un moyen de convertir les chirurgies ouvertes en traitements moins invasifs, a écrit Drs. Yuxing Yao et Mikhail Shapiro du California Institute of Technology, qui n’ont pas participé à l’étude. Il pourrait également être utilisé pour imprimer des interfaces corps-machine qui répondent aux ultrasons, fabriquer des composants électroniques flexibles pour les blessures cardiaques ou administrer efficacement des médicaments anticancéreux directement à la source après une intervention chirurgicale afin de limiter les effets secondaires.

« Nous sommes encore loin d’introduire cet outil en clinique, mais ces tests ont réaffirmé le potentiel de cette technologie. » dit Zhang. “Nous sommes très impatients de voir où cela peut nous mener à partir de maintenant.”

De la lumière au son

Grâce à sa polyvalence, l’impression 3D a captivé l’imagination des bio-ingénieurs lorsqu’il s’agit de construire des pièces biologiques artificielles, par exemple stents pour une maladie cardiaque potentiellement mortelle.

Le processus est généralement itératif. Une imprimante 3D à jet d’encre, semblable à une imprimante de bureau, pulvérise une fine couche et la « polymérise » avec la lumière. Cela solidifie l’encre liquide puis, couche par couche, l’imprimante construit une structure entière. Pourtant, la lumière ne peut éclairer que la surface de nombreux matériaux, ce qui rend impossible la génération d’une structure 3D entièrement imprimée d’un seul coup.

La nouvelle étude s’est tournée vers l’impression volumétrique, où une imprimante projette de la lumière dans un volume de résine liquide, solidifiant la résine dans la structure de l’objet. Et voilà, l’objet est construit dans son ensemble.

Le processus est beaucoup plus rapide et produit des objets avec des surfaces plus lisses que l’impression 3D traditionnelle. Mais cela est limité par la portée de la lumière qui peut traverser l’encre et les matériaux environnants, par exemple la peau, les muscles et d’autres tissus.

C’est ici que les ultrasons entrent en jeu. Mieux connus pour les soins maternels, de faibles niveaux d’ultrasons pénètrent facilement les couches opaques, telles que la peau ou les muscles, sans danger. Appelés ultrasons focalisés, les chercheurs explorent la technologie permettant de surveiller et de stimuler le cerveau et d’autres tissus.

Cela présente des inconvénients. Les ondes sonores se brouillent lorsqu’elles traversent des liquides abondants dans notre corps. Utilisées pour imprimer des structures en 3D, les ondes sonores pourraient générer une abomination du design original. Pour construire une imprimante 3D acoustique, la première étape consistait à repenser l’encre.

Une recette sonore

L’équipe a d’abord expérimenté des modèles d’encre qui durcissent par ultrasons. La recette qu’ils ont imaginée est une soupe de molécules. Certains se solidifient lorsqu’ils sont chauffés ; d’autres absorbent les ondes sonores.

L’encre sono se transforme en gel quelques minutes seulement après les impulsions ultrasonores.

Le processus est automoteur, ont expliqué Yao et Shapiro. Les ultrasons déclenchent une réaction chimique qui génère de la chaleur qui est absorbée par le gel et accélère le cycle. Étant donné que la source d’ultrasons est contrôlée par un bras robotique, il est possible de concentrer les ondes sonores à une résolution d’un millimètre, soit un peu plus épaisse que celle d’une carte de crédit moyenne.

L’équipe a testé plusieurs recettes d’encre sono et des structures simples imprimées en 3D, comme un équipement multicolore en trois parties et des structures qui brillent dans le noir ressemblant à des vaisseaux sanguins. Cela a aidé l’équipe à sonder les limites du système et à explorer les utilisations potentielles : un implant fluorescent imprimé en 3D, par exemple, pourrait être plus facile à suivre à l’intérieur du corps.

Succès sonore

L’équipe s’est ensuite tournée vers des organes isolés.

Lors d’un test, ils ont injecté de l’encre sono dans le cœur d’une chèvre endommagée. Une condition similaire chez les humains peut entraîner des caillots sanguins mortels et des crises cardiaques. Le traitement courant est la chirurgie à cœur ouvert.

Ici, l’équipe a infusé de l’encre sono directement dans le cœur de la chèvre par les vaisseaux sanguins. Grâce à des impulsions ultrasonores précisément focalisées, l’encre s’est gélifiée pour protéger la région endommagée, sans endommager les parties voisines, et s’est connectée aux propres tissus du cœur.

Dans un autre test, ils ont injecté l’encre dans une fracture osseuse d’une cuisse de poulet et ont reconstruit l’os « avec une liaison transparente aux parties natives », ont écrit les auteurs.

Dans un troisième test, ils ont mélangé de la doxorubicine, un médicament de chimiothérapie souvent utilisé dans le cancer du sein, à de l’encre sono et l’ont injecté dans des parties endommagées d’un foie de porc. Grâce aux ultrasons, l’encre s’est déposée dans les régions endommagées et a progressivement libéré le médicament dans le foie au cours de la semaine suivante. L’équipe pense que cette méthode pourrait contribuer à améliorer le traitement du cancer après l’ablation chirurgicale des tumeurs, ont-ils expliqué.

Le système n’est qu’un début. L’encre Sono n’a pas encore été testée dans un corps vivant et pourrait déclencher des effets toxiques. Et bien que les ultrasons soient généralement sans danger, la stimulation peut augmenter la pression des ondes sonores et chauffer les tissus jusqu’à une température très chaude de 158 degrés Fahrenheit. Pour Yao et Shapiro, ces défis peuvent guider la technologie.

La possibilité d’imprimer rapidement des matériaux 3D souples ouvre la porte à de nouvelles interfaces corps-machine. Des patchs d’organes dotés d’électronique intégrée pourraient soutenir les soins à long terme pour les personnes atteintes de maladies cardiaques chroniques. L’échographie pourrait également stimuler la régénération des tissus dans les parties les plus profondes du corps sans chirurgie invasive.

Outre les applications biomédicales, l’encre sono pourrait même faire sensation dans notre monde quotidien. Les chaussures imprimées en 3D, par exemple, sont déjà entrées sur le marché. Il est possible que « les chaussures de course du futur soient imprimées avec la même méthode acoustique qui répare les os », ont écrit Yao et Shapiro.

Crédit d’image : Alex Sanchez, Duke University ; Junjie Yao, Université Duke ; Y. Shrike Zhang, Faculté de médecine de Harvard