Impression 3D biologique de remplissages à base de cellulose/collagène pour la libération de médicaments dans le traitement des plaies tunnel profondes

Contexte académique

Les plaies tunnel profondes (tunneling wounds) sont des lésions complexes qui se forment sous la surface de la peau, avec des formes et des tailles variées, pouvant présenter des torsions et des virages, rendant leur traitement extrêmement difficile. Les solutions actuelles de soins des plaies sont principalement conçues pour les blessures superficielles, et les plaies tunnel non traitées peuvent entraîner de graves problèmes de santé. Par conséquent, le développement d’un matériau capable de remplir efficacement et de favoriser la guérison des plaies tunnel profondes revêt une importance majeure. Cette étude vise à relever ce défi en utilisant des polymères naturels (tels que la cellulose et le collagène) pour fabriquer des remplissages pour plaies tunnel (Tunnel Wound Fillers, TWFs), imitant ainsi la matrice extracellulaire dermique.

Source de l’article

Cette recherche a été menée par Mano Govindharaj, Noura Al Hashimi, Soja S. Soman, Jiarui Zhou, Safeeya Alawadhi et Sanjairaj Vijayavenkataraman. L’équipe de recherche est issue du laboratoire Vijay de l’Université de New York à Abu Dhabi et du département de génie mécanique et aérospatial de la Tandon School of Engineering de l’Université de New York. L’article a été publié en ligne le 22 octobre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing.

Processus de recherche

1. Extraction des microfibres de cellulose (CMFs) et enrobage au collagène

L’étude a d’abord extrait des microfibres de cellulose (CMFs) à partir de tiges de bananier, puis les a purifiées par des méthodes chimiques et mécaniques. Ensuite, les CMFs ont été enrobées de collagène dérivé de peau de poisson pour améliorer leur activité biologique. Cette étape a été validée par microscopie électronique à balayage (SEM), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectroscopie Raman, confirmant la réussite de l’enrobage au collagène sur les CMFs.

2. Préparation de l’encre biologique et impression 3D

L’équipe de recherche a préparé trois encres biologiques avec différentes concentrations de CMFs (25, 50 et 75 mg) et a testé leurs propriétés rhéologiques. Les résultats ont montré que l’encre contenant 50 mg de CMFs présentait les meilleures performances pour l’impression 3D. Ensuite, une imprimante biologique RegenHU 3D Discovery a été utilisée pour imprimer en 3D des TWFs à trois couches. Les remplissages imprimés ont été stabilisés par réticulation ionique (utilisant du CaCl₂).

3. Libération de médicaments et chargement cellulaire

Les TWFs ont été chargés avec l’antibiotique Baneocin, et leur comportement de libération de médicament a été testé in vitro dans différentes conditions de pH. Les résultats ont montré que le taux de libération du médicament était significativement plus élevé en milieu acide (pH 5) qu’en milieu neutre (pH 7). De plus, les TWFs ont été chargés avec des cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs), et la survie et la prolifération cellulaires ont été vérifiées par des tests Alamar Blue et des colorations vivant/mort.

4. Expériences de cicatrisation in vitro

L’étude a utilisé des fibroblastes embryonnaires de souris (MEFs) pour réaliser des tests de grattage, évaluant l’effet des TWFs sur la cicatrisation des plaies. Les résultats ont montré que les TWFs combinant CMF/collagène/alginate de sodium couvraient presque complètement la zone de grattage en 48 heures, démontrant ainsi la meilleure efficacité de cicatrisation.

5. Validation sur modèle de tissu de poulet

Enfin, l’équipe de recherche a créé un modèle de plaie tunnel profonde sur des tissus de poitrine de poulet et a inséré les TWFs imprimés en 3D dans les plaies. Les résultats ont montré que les TWFs présentaient une excellente stabilité structurelle et une flexibilité, s’adaptant à la forme complexe des plaies et fournissant un environnement humide propice à la cicatrisation.

Résultats principaux

1. Extraction des CMFs et enrobage au collagène : Les analyses SEM, FTIR et Raman ont confirmé la réussite de l’enrobage au collagène sur les CMFs, améliorant ainsi leur activité biologique.
2. Propriétés rhéologiques de l’encre biologique : L’encre contenant 50 mg de CMFs présentait les meilleures performances pour l’impression 3D, adaptée à la fabrication des TWFs.
3. Comportement de libération de médicament : Les TWFs ont montré un taux de libération de médicament plus élevé en milieu acide, adapté aux plaies infectées.
4. Survie et prolifération cellulaires : Les TWFs chargés de hMSCs ont montré une prolifération cellulaire significative sur 7 jours, indiquant une excellente biocompatibilité.
5. Cicatrisation in vitro : Les TWFs combinant CMF/collagène/alginate ont presque complètement couvert la zone de grattage en 48 heures, démontrant la meilleure efficacité de cicatrisation.
6. Validation sur modèle de tissu de poulet : Les TWFs se sont adaptés à la forme complexe des plaies tunnel profondes et ont fourni un environnement humide propice à la cicatrisation.

Conclusion

Cette étude a réussi à développer un remplissage à trois couches à base de cellulose et de collagène pour la libération de médicaments (TWFs), destiné au traitement des plaies tunnel profondes. Ce remplissage présente une excellente biocompatibilité, une capacité de libération de médicament et un potentiel de promotion de la cicatrisation. Grâce à la technologie d’impression 3D, les TWFs peuvent être personnalisés en fonction de la forme et de la taille des plaies, offrant ainsi de vastes perspectives d’application.

Points forts de la recherche

1. Matériaux innovants : Utilisation de microfibres de cellulose extraites de tiges de bananier et de collagène dérivé de peau de poisson, offrant un caractère écologique et durable.
2. Technologie d’impression 3D : Les TWFs imprimés en 3D peuvent être personnalisés en fonction de la forme et de la taille des plaies, offrant une grande flexibilité.
3. Libération de médicaments et chargement cellulaire : Les TWFs peuvent être chargés avec des antibiotiques et des cellules souches, offrant un potentiel de promotion de la cicatrisation et de régénération tissulaire.
4. Validation in vitro et in vivo : Les expériences in vitro et le modèle de tissu de poulet ont validé l’efficacité et l’applicabilité des TWFs.

Valeur de la recherche

Cette recherche propose une solution innovante pour le traitement des plaies tunnel profondes, avec une valeur scientifique et pratique significative. Grâce à la technologie d’impression 3D, les TWFs permettent une personnalisation adaptée aux besoins de chaque patient. De plus, cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des biomatériaux et de l’ingénierie tissulaire.