La Biofabrication : Bioimpression et Bio-Assemblage

Le terme de Biofabrication a été introduit en 1994 et concernait alors la fabrication des perles plates183_{. Il a ensuite été utilisé en 2003 pour qualifier le processus de formation de} l’émail au niveau des dents de mammifères184_{. Outre la description de ces phénomènes de} biominéralisation, d’autres domaines comme les biotechnologies ou la biologie de synthèse ont fait appel au terme de « Biofabrication » en parlant plus simplement de « mariage entre la biologie et la microfabrication »185_{. D’une manière générale, la Biofabrication peut} se définir comme « l’utilisation d’un procédé pour engendrer un produit défini présentant une fonction biologique »186_{. En ingénierie tissulaire, le domaine de la Biofabrication} recouvre la Bioimpression et le Bio-Assemblage.

Le Bio-Assemblage s’appuie sur le développement embryonnaire des tissus et la capacité des différents composants à s’organiser en 3D de façon autonome. Il consiste à élaborer des constructions à partir d’unités multicellulaires sous la forme d’agrégats cellulaires, de fibres, de feuillets, ou de structures plus complexes, comme des organoïdes ou microtissus, comprenant les cellules et leur matrice extra-cellulaire. Ces éléments peuvent être associés par auto-assemblages cellulaires ou par approche modulaire, en utilisant des briques élémentaires composées de cellules associées à des biomatériaux50_{. Ces unités sont} générées essentiellement à partir de technologies telles que des moules obtenus par microfabrication ou la microfluidique, suivis d’une fusion et d’une maturation186 _(Figure 25).

FIGURE 25 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU PROCEDE DE BIO-ASSEMBLAGE D’après Mironov et al. 187

De son côté, la Bioimpression est définie comme « un dépôt, transfert et modélisation, couche par couche, de façon automatisée, de matériaux biologiquement pertinents »177,188_. En 2010, Fabien Guillemot décrit la Bioimpression comme « l’utilisation de technologies d’impression assistées par ordinateur permettant l’arrangement et l’assemblage de structures vivantes ou non, avec une organisation en deux ou trois dimensions, afin de produire des structures composites qui pourront être utilisées pour des applications en médecine régénératrice, pour des études pharmacocinétiques ou bien pour des travaux fondamentaux de biologie cellulaire »189_{. Parmi ces matériaux biologiques, les cellules} peuvent être organisées à l'aide de technologies de bioimpression afin de développer un tissu, avec un meilleur contrôle de sa structure et de sa fonction190_{. Du fait de cette capacité} à reproduire le microenvironnement cellulaire et l'organisation tissulaire, la Bioimpression constitue un changement de paradigme par rapport aux approches traditionnelles de l'ingénierie tissulaire.

Au cours des dernières années, de nombreuses expériences ont été menées dans le domaine de la Biofabrication, avec un essor constant des méthodes de bioimpression cellulaire et des publications correspondantes. Cependant, la bioimpression cellulaire est loin d'être récente.

En 1988, Klebe a décrit pour la première fois une technique appelée « cytoscription » permettant le micro-positionnement de cellules selon des modèles définis191_{. Suite à cette} première étude, un grand nombre de technologies d’impression de cellules ont été développées. Parallèlement aux approches traditionnelles de l'ingénierie tissulaire, telles que l'ensemencement homogène de cellules dans des échafaudages préfabriqués ou des méthodes lithographiques, de nouvelles approches sont apparues basées sur le jet d'encre, la microextrusion et la bioimpression assistée par laser192,193 _{(Figure 26). Ces nouvelles}

technologies ont rapidement enthousiasmé les médias, qui utilisaient plus volontiers le terme « impression d'organes » que « impression de cellules », car ils montraient la capacité d'imprimer des cellules viables en trois dimensions177_{. En réalité, des progrès importants} sont encore nécessaires pour obtenir non seulement une simple construction cellulaire, mais également un tissu ou un organe fonctionnel grâce aux technologies de bioimpression.

FIGURE 26 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DES TROIS PRINCIPALES TECHNOLOGIES UTILISEES EN BIOIMPRESSION

Adapté de Malda et al. 193

Les technologies à base de jet d'encre et de micro-extrusion sont dérivées de systèmes existants qui n'étaient initialement pas destinés à des applications biologiques194_{. Les} premières imprimantes à jet d'encre utilisées pour imprimer des matériaux biologiques ont été obtenues à partir d'imprimantes à jet d'encre modifiées disponibles dans le commerce195_{. Initialement limitées aux constructions bidimensionnelles, le développement} de nouveaux biomatériaux, tels que les gels thermosensibles, a permis de créer des constructions tridimensionnelles196_{. Leur mécanisme est basé sur des forces thermiques} ou acoustiques qui permettent l’éjection des gouttes du biomatériau sur un substrat. Cette technologie présente l’avantage d’être simple d’utilisation et de faible coût. Cependant, elle présente plusieurs inconvénients, notamment lorsqu'elle est appliquée à l'impression de cellules, à savoir l’obstruction des buses d’impression, l'exposition des cellules à des contraintes mécaniques au niveau de l'orifice (contraintes de cisaillement), le risque de contamination et la faible directivité des gouttelettes197_{. Après le développement des} imprimantes à jet d'encre, des techniques basées sur l'extrusion (ex. seringue, micropen, bioplotter,... mettant en jeu un système pneumatique ou mécanique) ont également été adaptées à la bioimpression cellulaire, permettant la création d'une grande variété de

modèles tissulaires tels que le foie, les valves aortiques, ou encore les réseaux vasculaires198–202 _{(Figure 27). Bien que cette technologie soit également facile à utiliser et} peu coûteuse, elle partage les mêmes inconvénients que l’impression par jet d’encre, liés à la présence d’un orifice.

FIGURE 27 : BIOIMPRESSION D'UN CONDUIT AORTIQUE AVEC VALVE PAR EXTRUSION D’après Duan et al. 201

Outre les techniques de bioimpression basées sur le jet d'encre et l'extrusion, les technologies d'impression au laser impliquent des méthodes de prototypage rapides et résolues permettant l'organisation de biomatériaux dans une conformation définie pour des applications d'ingénierie tissulaire. Le LAB, en particulier, est devenu une méthode pertinente pour l’impression de cellules vivantes par une technique ne nécessitant pas le passage des éléments biologiques dans un orifice.

3.2. La Bioimpression Assistée par laser