Bio imprimée en 3D/4D

19 juillet 2023

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faits vérifiés

relire

par Journal international de fabrication extrême

La piézoélectricité est reconnue comme le facteur clé de la régénération osseuse. Cependant, les échafaudages de fabrication additive actuels se concentrent principalement sur la reconstruction de la structure topologique bionique et du microenvironnement mécanique, tandis que le microenvironnement électrique (EM) crucial dans la régénération osseuse est négligé.

La recherche, publiée dans International Journal of Extreme Manufacturing, montre l'énorme potentiel de l'impression 3D/4D d'échafaudages bio-piézoélectriques pour l'ingénierie du tissu osseux de nouvelle génération.

Il existe un écart important entre les capacités des techniques d’impression 3D/4D actuelles et les exigences des applications cliniques des échafaudages bio-piézoélectriques. Son développement nécessite un effort conjoint d’études multidisciplinaires incluant la science des matériaux, le génie mécanique et la bio-ingénierie. Son adoption généralisée devrait également s’inspirer de certaines technologies de pointe telles que la fabrication intelligente, la médecine bionique et l’apprentissage automatique.

"En principe, cela ouvre la voie à la conception et à la fabrication d'un échafaudage piézoélectrique biologique intelligent qui favorise la réparation osseuse en imitant le microenvironnement électrique crucial du tissu", a déclaré Annan Chen, chercheur postdoctoral à la City University de Hong Kong et premier auteur de l'étude. .

"Essentiellement, cela offre de nouvelles perspectives vers une percée potentielle dans la construction d'échafaudages intelligents pour l'ingénierie des tissus osseux de nouvelle génération", ont déclaré le professeur Chunze Yan, professeur à l'Université des sciences et technologies de Huazhong, et le professeur Jian Lu, professeur titulaire de la chaire de recherche de l'Université des sciences et technologies de Huazhong. l'Université de la ville de Hong Kong.

Cette piézoélectricité a été démontrée dans les os humains, qui génèrent des charges positives et négatives lorsqu'ils sont soumis à une compression ou à une tension. Par exemple, le tibia humain peut générer un potentiel piézoélectrique d’environ 300 μV pendant la marche. Par conséquent, les matériaux piézoélectriques présentent des avantages uniques dans la simulation de l’EM des tissus osseux, ce qui peut favoriser de manière significative le métabolisme des cellules et la formation de nouveaux os.

Les charges de surface des matériaux piézoélectriques peuvent attirer les ions pour favoriser l'adhésion cellulaire par interaction entre ions ou charges, ainsi qu'activer l'expression du facteur de croissance pour améliorer la prolifération cellulaire et la différenciation ostéogénique.

Les échafaudages bio-piézoélectriques fabriqués de manière additive peuvent reconstruire l’EM des tissus souhaités grâce à une stimulation ultrasonique non invasive. Ce comportement de changement de fonctionnalité en fonction du temps des structures 3D lorsqu'elles sont exposées à un stimulus externe est également défini comme une impression en quatre dimensions (4D). Ces nouveaux échafaudages bio-piézoélectriques à fonctionnalité 4D peuvent fournir un microenvironnement électrophysiologique programmable en fonction du temps en réponse à des stimuli externes pour la régénération des tissus.

Chen a commencé à expérimenter certains matériaux piézoélectriques biologiques sans plomb découverts il y a des années, mais largement ignorés. Il s'est concentré sur l'impression 3D/4D intégrée matériau-topographie-biofonctionnalité de matériaux bio-piézoélectriques pour des applications biologiques avancées.

À la grande surprise des scientifiques, les matériaux bio-piézoélectriques ont montré une excellente aptitude au traitement et une excellente biocompatibilité. De plus, ils étaient inductibles multicellulaires. "Nous avons découvert que leur microenvironnement électrique peut induire une différenciation des cellules osseuses, favoriser le recrutement des cellules vasculaires et la réparation des cellules nerveuses", a déclaré Chen. Cela montre un grand potentiel pour les applications cliniques.