Planification de trajectoire conforme basée sur l’optimisation pour la bio-impression in situ lors de la réparation de défauts cutanés complexes

Contexte académique

La peau, en tant que plus grand organe du corps humain, joue un rôle crucial dans la protection du corps contre les agressions extérieures. Cependant, la prévalence élevée des blessures cutanées telles que les brûlures et les ulcères chroniques à l’échelle mondiale a accru la demande de traitements efficaces. Bien que l’ingénierie tissulaire et la bio-impression tridimensionnelle (3D) aient montré un certain potentiel, elles restent confrontées à de nombreux défis dans le traitement des lésions cutanées variées, en particulier en ce qui concerne les risques de contamination ou de dommages tissulaires lors de l’implantation des échafaudages imprimés. La bio-impression in situ (in situ bioprinting), une technologie émergente, dépose directement l’encre biologique sur le site de la lésion, évitant ainsi les risques potentiels de la stratégie traditionnelle en deux étapes “impression-implantation” et démontrant des effets thérapeutiques supérieurs. Cependant, maintenir la fidélité de l’impression lors de la bio-impression in situ, en particulier en ce qui concerne la stratification des modèles et la planification des trajectoires, reste un défi majeur.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Wenxiang Zhao, Chuxiong Hu, Yunan Wang, Shize Lin, Ze Wang et Tao Xu, tous affiliés au Laboratoire national clé de tribologie des équipements avancés, Département de génie mécanique, Université Tsinghua et au Centre de fabrication intelligente biologique et de bio-impression de matière vivante, Institut de recherche de l’Université Tsinghua à Shenzhen. L’article a été publié en 2025 dans la revue Bio-design and Manufacturing, sous le titre Optimization-based conformal path planning for in situ bioprinting during complex skin defect repair.

Processus de recherche

1. Algorithme de planification de trajectoire conforme basée sur l’optimisation

Le cœur de la recherche consiste en un algorithme de planification de trajectoire conforme basée sur l’optimisation, destiné à la bio-impression in situ pour la réparation de lésions cutanées complexes. Cet algorithme identifie les points de trajectoire optimaux sur une surface approximée par un nuage de points grâce à une optimisation sous contraintes, garantissant une similitude élevée entre la trajectoire plane prédéfinie et la trajectoire 3D mappée sur la surface. Le processus détaillé est le suivant :

• Définition des paramètres : L’étude définit d’abord la surface S, la trajectoire plane P et la relation de mappage Rs. En recherchant progressivement les points sur la trajectoire plane P, ceux-ci sont mappés sur la surface S, assurant que la distance et l’angle sur la surface correspondent à ceux de la trajectoire plane.
• Mappage conforme avec préservation de la forme : En minimisant l’écart entre la distance géodésique des points de trajectoire et le pas prédéfini stp, l’étude utilise un ajustement par surface quadratique du nuage de points et un algorithme d’optimisation par points intérieurs (interior-point optimization algorithm) pour l’itération.
• Mappage conforme avec préservation de la forme et de l’angle : Pour optimiser simultanément la distance et l’angle, l’étude normalise les erreurs de distance et d’angle, construisant un modèle d’optimisation unifié qui garantit une correspondance élevée entre la forme et l’angle de la trajectoire sur la surface et ceux de la trajectoire plane.

2. Stratégie de génération de trajectoires conformes

Pour résoudre les problèmes de couverture des plaies, l’étude améliore la stratégie de génération de trajectoires en proposant une méthode de génération directe de trajectoires conformes sur la surface de la plaie, évitant ainsi de dépendre d’une trajectoire plane prédéfinie. Les étapes spécifiques sont les suivantes :

• Génération de trajectoire monocouche : L’étude utilise un motif en zigzag pour générer directement une trajectoire conforme sur la surface de la plaie. En recherchant progressivement les points sur la surface, elle assure que la trajectoire maintient une distance spatiale et des contraintes linéaires cohérentes avec les points précédents.
• Génération de trajectoires multicouches : Pour traiter les lésions volumétriques, l’étude combine un algorithme de remplissage de nuage de points basé sur les fonctions de base radiale (RBF) pour générer des trajectoires conformes multicouches. En décalant progressivement les points de trajectoire initiaux, elle garantit que chaque couche de trajectoire correspond étroitement à la forme de la plaie.

3. Conception et traitement des modèles de nuage de points

L’étude a conçu quatre modèles 3D (surface ellipsoïdale, surface mathématique, structure de protubérance pliée et modèle de plaie dorsale de souris) et a acquis les données de nuage de points du modèle de plaie par balayage 3D. Pour valider l’efficacité de l’algorithme, l’étude a mené des expériences d’impression physique sur ces modèles.

4. Matériaux et expériences d’impression

L’étude a utilisé de la gélatine méthacrylée (GelMA) et du phosphate de lithium phényl-2,4,6-triméthylbenzoyle (LAP) pour préparer l’encre biologique et a réalisé des expériences de bio-impression in situ à l’aide d’un robot de bio-impression à sept axes. Pendant le processus d’impression, l’étude a assuré une haute fidélité des trajectoires d’impression grâce à l’étalonnage du point central de l’outil (TCP) et à un algorithme de contrôle du mouvement du robot.

Résultats principaux

1. Sélection et analyse des paramètres de pas

L’étude a analysé expérimentalement l’impact du paramètre de pas stp sur l’erreur de mappage des trajectoires et la complexité de calcul. Les résultats montrent qu’à mesure que stp diminue, l’erreur de mappage diminue progressivement, mais la complexité de calcul augmente de manière exponentielle. L’étude a déterminé la valeur optimale du pas à l’aide d’une formule empirique, assurant un équilibre entre la vitesse de calcul et l’erreur.

2. Comparaison entre les trajectoires conformes et les trajectoires par projection directe

L’étude a comparé les performances des trajectoires conformes et des trajectoires par projection directe sur des surfaces courbes. Les résultats montrent que les trajectoires conformes présentent un avantage significatif en termes de maintien de l’espacement et de l’angle des trajectoires, en particulier dans les zones où la courbure varie considérablement, où les trajectoires par projection directe présentent souvent des problèmes d’espacement inégal et de distorsion angulaire.

3. Validation de la bio-impression sur des modèles géométriques

L’étude a mené des expériences d’impression réelle sur des modèles géométriques, validant la haute fidélité des trajectoires conformes. Les résultats montrent que les trajectoires conformes sur des surfaces complexes correspondent étroitement aux trajectoires prédéfinies, avec un taux de couverture d’impression proche de 98 %, tandis que les trajectoires par projection directe n’atteignent qu’un taux de couverture de 93,6 %, avec des défauts de gap évidents.

4. Validation de la bio-impression sur un modèle de plaie cutanée

L’étude a mené des expériences de bio-impression in situ avec planification de trajectoires conformes multicouches sur un modèle de plaie dorsale de souris. Les résultats montrent que la structure imprimée peut couvrir efficacement la zone de la plaie, avec un écart moyen par rapport à la peau saine de 0,52 à 0,90 mm et un écart maximal de 2,12 mm. Cela démontre la faisabilité élevée de l’algorithme de planification de trajectoires conformes pour guider la bio-impression in situ dans la réparation de lésions cutanées complexes.

Conclusion et signification

Cette étude propose un algorithme de planification de trajectoire conforme basé sur l’optimisation, résolvant efficacement les problèmes de planification de trajectoire pour la bio-impression in situ sur des surfaces complexes. En équilibrant la préservation de la forme et de l’angle, l’algorithme génère des trajectoires d’impression hautement fidèles, améliorant considérablement la précision et la couverture de l’impression. L’étude fournit non seulement une méthode systématique de planification de trajectoire pour le développement de la bio-impression in situ, mais ouvre également de nouvelles voies pour des traitements personnalisés des lésions volumétriques.

Points forts de la recherche

1. Algorithme innovant de planification de trajectoire : L’algorithme de planification de trajectoire conforme proposé présente des avantages significatifs en termes de préservation de la forme et de l’angle, en particulier sur des surfaces complexes.
2. Stratégie de génération de trajectoires multicouches : En combinant un algorithme de remplissage de nuage de points basé sur les fonctions de base radiale (RBF), l’étude propose une solution efficace pour la réparation des lésions volumétriques.
3. Validation de l’impression haute fidélité : Les expériences d’impression réelle ont validé la haute fidélité des trajectoires conformes, avec un taux de couverture d’impression proche de 98 %, surpassant nettement les trajectoires par projection directe.

Autres informations utiles

L’étude explore également l’impact des paramètres de pas sur l’erreur de mappage des trajectoires et la complexité de calcul, et détermine la valeur optimale du pas à l’aide d’une formule empirique, fournissant une référence importante pour la planification de trajectoires sur des surfaces inconnues à l’avenir.