Impression 3D biologique d’un échafaudage cutané pour la régénération des tissus cutanés de pleine épaisseur

Contexte académique

La peau est le plus grand organe du corps humain, jouant un rôle crucial dans la protection contre les dommages environnementaux et l’invasion microbienne. Cependant, en cas de lésions cutanées étendues, sa capacité d’auto-réparation est limitée, entraînant souvent la formation de cicatrices, des réactions inflammatoires et d’autres problèmes affectant la morphologie et la fonctionnalité normales de la peau. Les substituts cutanés traditionnels, tels que les films, les hydrogels et les membranes nanofibreuses, bien qu’ils accélèrent la cicatrisation, ne parviennent pas à reproduire complètement le microenvironnement de la peau saine, ce qui entraîne des différences morphologiques et fonctionnelles par rapport à la peau normale. Ces dernières années, la technologie d’impression 3D biologique, grâce à sa capacité à contrôler avec précision le dépôt de biomatériaux et de cellules pour construire des structures 3D complexes, est devenue un sujet de recherche majeur dans le domaine de l’ingénierie tissulaire cutanée.

Cette étude vise à développer une nouvelle encre biologique (bioink) utilisant la technologie de traitement numérique de la lumière (Digital Light Processing, DLP) pour imprimer un échafaudage cutané aux propriétés antibactériennes, anti-inflammatoires et favorisant la prolifération cellulaire, afin d’accélérer la cicatrisation des lésions cutanées de pleine épaisseur.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Lu Han, Zixian Liu, Meng Li, Zhizhong Shen, Jianming Wang et Shengbo Sang, issus de la Taiyuan University of Technology, du Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering et de l’Hôpital général de Tisco, entre autres institutions. L’article a été publié en ligne le 27 décembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1631/bdm.2400058.

Processus et résultats de la recherche

1. Préparation et caractérisation de l’encre biologique

Cette étude a développé une encre biologique composite composée de gélatine méthacrylée (GelMA) et d’oligosaccharide de chitosane (Chitosan Oligosaccharide, COS). Le GelMA est un hydrogel photocroisable offrant une excellente biocompatibilité et des propriétés physico-chimiques ajustables, tandis que le COS possède des propriétés antibactériennes, anti-inflammatoires et favorisant la prolifération cellulaire. Les chercheurs ont d’abord synthétisé le GelMA, puis l’ont mélangé à différentes concentrations de COS pour préparer quatre encres biologiques de proportions différentes (G10C0, G10C1, G10C3, G10C6).

Grâce à une analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), les chercheurs ont confirmé la structure chimique de l’hydrogel GelMA/COS et ont observé qu’avec l’augmentation de la concentration de COS, la densité de réticulation de l’hydrogel diminuait, entraînant une augmentation de sa capacité d’absorption d’eau et de son taux de dégradation. De plus, des tests de compression ont montré que l’introduction de COS améliorait l’élasticité de l’hydrogel, mais réduisait son module de compression. L’observation au microscope électronique à balayage (SEM) a révélé que l’hydrogel présentait une microstructure poreuse et interconnectée, avec une diminution progressive de la taille des pores et une augmentation de la porosité à mesure que la concentration de COS augmentait.

2. Tests de performance antibactérienne

Pour évaluer les propriétés antibactériennes de l’hydrogel GelMA/COS, les chercheurs ont réalisé des expériences de surface antibactérienne en utilisant Staphylococcus aureus (S. aureus) et Escherichia coli (E. coli) comme bactéries modèles Gram-positives et Gram-négatives. Les résultats ont montré qu’avec l’augmentation de la concentration de COS, le taux d’inhibition de l’hydrogel contre les deux bactéries augmentait progressivement, atteignant respectivement 94 % et 95 %. Cela indique que le COS peut se lier aux groupes chargés négativement sur la membrane bactérienne, perturbant ainsi la structure membranaire et exerçant une action antibactérienne.

3. Étude de la biocompatibilité cellulaire

Les chercheurs ont ensemencé des fibroblastes dermiques humains (Human Dermal Fibroblasts, HDFs) dans l’hydrogel GelMA/COS pour évaluer la prolifération, la survie et la morphologie des cellules. Les tests CCK-8 ont montré que la capacité de prolifération des HDFs augmentait significativement avec l’augmentation de la concentration de COS. Les tests de coloration vivant/mort ont révélé un taux de survie cellulaire élevé dans tous les hydrogels, avec une morphologie cellulaire satisfaisante. La coloration immunofluorescente et l’analyse par PCR quantitative en temps réel (qPCR) ont en outre montré que l’ajout de COS pouvait inhiber l’expression des gènes liés à la fibrose (tels que le collagène I, le collagène III et la fibronectine I), réduisant ainsi la formation de cicatrices.

4. Impression DLP de l’échafaudage cutané

Les chercheurs ont utilisé une imprimante DLP pour imprimer l’encre biologique G10C1 sous forme de structure en grille, construisant ainsi un échafaudage cutané chargé de cellules. L’observation au SEM a montré que l’échafaudage présentait une structure poreuse uniformément répartie, favorisant la migration cellulaire et l’échange de nutriments. Les résultats de la coloration vivant/mort et de la coloration immunofluorescente ont indiqué un taux de survie cellulaire élevé après impression, et les HDFs étaient capables de croître le long des pores de l’échafaudage tout en sécrétant des protéines de la matrice extracellulaire (ECM).

5. Expériences in vivo

Pour évaluer l’efficacité de l’échafaudage cutané dans la cicatrisation des plaies, les chercheurs ont créé un modèle de lésion cutanée de pleine épaisseur sur le dos de souris nues et ont implanté l’échafaudage chargé de cellules dans la plaie. Les résultats ont montré que l’échafaudage chargé de cellules accélérait significativement la fermeture de la plaie, réduisait la réaction inflammatoire et favorisait l’angiogenèse. L’analyse histologique a révélé que le dépôt de collagène au niveau de la plaie était plus ordonné dans le groupe avec échafaudage, avec moins de formation de cicatrices. La coloration immunohistochimique a en outre confirmé que l’expression des facteurs inflammatoires (comme le TNF-α) était plus faible dans le groupe avec échafaudage, tandis que l’expression des marqueurs d’angiogenèse (comme CD31 et α-SMA) était plus élevée.

Conclusion et signification

Cette étude a réussi à développer une encre biologique composite basée sur GelMA/COS et à utiliser la technologie DLP pour construire rapidement un échafaudage cutané chargé de cellules. Cet échafaudage présente d’excellentes propriétés d’absorption d’eau, de dégradation, mécaniques et de biocompatibilité, ainsi qu’une activité antibactérienne significative. Les expériences in vivo ont démontré que cet échafaudage pouvait accélérer la fermeture des plaies, réduire la réaction inflammatoire, favoriser l’angiogenèse et améliorer la cicatrisation.

La valeur scientifique de cette étude réside dans la proposition d’une nouvelle formulation d’encre biologique et d’une technologie d’impression 3D capables de reproduire avec précision la structure et la fonction de la peau naturelle, offrant ainsi une nouvelle approche pour le traitement des lésions cutanées de pleine épaisseur. Sa valeur applicative réside dans la facilité de fabrication de cet échafaudage, sa biocompatibilité et ses propriétés antibactériennes, ouvrant des perspectives prometteuses pour la régénération tissulaire cutanée en clinique.

Points forts de la recherche

1. Nouvelle encre biologique : L’encre biologique composite GelMA/COS offre une excellente biocompatibilité, des propriétés antibactériennes et des caractéristiques physico-chimiques ajustables.
2. Technologie DLP : L’utilisation de la technologie DLP permet une impression 3D à haute résolution et à haut taux de survie cellulaire, construisant des échafaudages cutanés à structure complexe.
3. Validation in vivo : Le modèle de souris nue a validé l’efficacité significative de l’échafaudage dans l’accélération de la cicatrisation, la réduction de l’inflammation et la promotion de l’angiogenèse.

Autres informations pertinentes

La limite de cette étude réside dans le fait que, bien que des résultats prometteurs aient été obtenus sur le modèle de souris nue, les processus de cicatrisation diffèrent significativement entre les souris et les humains. Des études supplémentaires sur des modèles animaux plus grands (comme le modèle porcin) seront nécessaires pour valider son applicabilité et ses effets régénératifs.