Development of an on-demand foaming printhead for biofabrication of constructs with heterogeneous porosity

Résumé

La bioimpression tridimensionnelle se distingue comme une sous-catégorie spécifique de la fabrication additive, caractérisée par le dépôt précis de biomatériaux pour créer des structures 3D complexes avec des cellules vivantes intégrées. Cette technologie permet la biofabrication de constructions complexes capables de simuler les tissus naturels. Cependant, pour une bioimpression 3D efficace, les bioencres—biomatériaux imprimables en 3D chargés de cellules—doivent répondre à des propriétés rhéologiques et mécaniques strictes pour garantir une bonne imprimabilité et une intégrité structurelle. La porosité intrinsèque des bioencres est souvent insuffisante pour les applications biologiques, posant des défis importants en ingénierie biomédicale. Une porosité adéquate est cruciale pour soutenir les processus cellulaires tels que la prolifération, la différenciation et la déposition de la matrice extracellulaire. L'amélioration de la porosité des bioencres est donc essentielle pour améliorer leur fonctionnalité et leur efficacité en ingénierie des tissus et en médecine régénérative. Cette thèse aborde le défi du développement de biomatériaux imprimables en 3D à porosité réglable avec une large gamme de tailles de pores pour la biofabrication de constructions hétérogènes. L'approche de cette recherche minimise l'utilisation d'additifs et d'étapes de traitement pour la génération de porosité. Pour ce faire, une tête d'impression à mousse a été conçue et développée. La tête d'impression se révèle être une alternative supérieure à la bioimpression d'une solution mousseuse passive, en raison de son meilleur contrôle sur la réglabilité des caractéristiques de la mousse pendant le processus de bioimpression. Cette méthode de moussage implique l'agitation mécanique de l'albumine, utilisée comme agent moussant, ce qui conduit à la dénaturation de sa structure protéique. Les bulles dans la mousse sont créées en piégeant l'air avec les groupes hydrophiles et hydrophobes de la protéine dénaturée. L'alginate de sodium est utilisé en complément de l'albumine pour tirer parti de sa biocompatibilité et de sa propriété de réticulation ionique rapide. De la gélatine est ajoutée à la bioencre pour améliorer l'attachement des cellules. La mousse produite est ensuite réticulée après avoir quitté l'aiguille à l'aide d'un module de réticulation capable de délivrer une brume de chlorure de calcium. Il a été émis l'hypothèse que le changement de la vitesse de moussage entraînerait un changement de la taille des pores des constructions et affecterait les activités cellulaires et les propriétés de libération de médicaments. Par conséquent, la tête d'impression à mousse, fabriquée en résine grise par l'imprimante 3D Formlabs, comprend un moteur à courant continu pour changer la vitesse de rotation d'un pignon dans un espace clos avec un design de roue interne afin d'obtenir une large gamme de tailles de pores. La tête d'impression développée permet le mélange à la demande de bioencre et d'air à haute vitesse et le mélange des cellules avec la mousse à travers un mélangeur de cellules. Enfin, la mousse contenant les cellules est réticulée en appliquant le réticulant sous forme de brouillard. Les échafaudages fabriqués ont été caractérisés par des évaluations de l'imprimabilité, de la porosité, de l'absorption d'eau, de la dégradation et des capacités de libération de médicaments. Nos études ont révélé que ces propriétés peuvent être ajustées en contrôlant la vitesse de moussage, ce qui affecte la taille des pores. Les vitesses de moussage de 1500, 2500 et 3500 rpm ont généré des tailles de pores moyennes de 96, 84 et 53 μm, respectivement. L'augmentation de la vitesse de moussage induit des forces de cisaillement plus élevées dans la solution, brisant les grosses bulles en bulles plus petites. Les échantillons produits à des vitesses de moussage plus faibles ont montré des taux plus élevés d'absorption d'eau, de dégradation et de libération de médicaments. La biocompatibilité des constructions poreuses et du système de bioimpression a été évaluée à l'aide du test Live/Dead, qui a montré plus de 90 % de viabilité cellulaire. Les résultats de cette étude mettent en évidence la capacité de biofabriquer des structures hétérogènes pour des applications en ingénierie des tissus et en libération de médicaments, avec la possibilité de réguler la taille des pores à la demande en ajustant la vitesse de moussage.

Date	26 août 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ali Ahmadi (Directeur(-trice)) & Sophie Lerouge (Codirecteur(-trice))