La réparation des blessures traumatiques de la peau et des os du visage et du crâne est difficile en raison des nombreuses couches de différents types de tissus impliqués, mais maintenant, les chercheurs ont réparé ces défauts dans un modèle de rat en utilisant la bio-impression pendant la chirurgie, et leur travail peut conduire à méthodes plus rapides et meilleures de guérison de la peau et des os.
«Ce travail est cliniquement significatif», a déclaré Ibrahim T. Ozbolat, professeur agrégé de développement de carrière de la famille Hartz en sciences de l’ingénieur et mécanique, génie biomédical et neurochirurgie, Penn State. «Traiter les défauts composites, réparer les tissus durs et mous à la fois, est difficile. Et pour la zone craniofaciale, les résultats doivent être esthétiques.
Actuellement, la fixation d’un trou dans le crâne impliquant à la fois des os et des tissus mous nécessite l’utilisation d’os provenant d’une autre partie du corps du patient ou d’un cadavre. L’os doit être recouvert de tissus mous avec un flux sanguin, également prélevé ailleurs, sinon l’os mourra. Ensuite, les chirurgiens doivent réparer les tissus mous et la peau.
Schéma du processus de bio-impression de la peau et des os. Après la numérisation, l’os, puis les couches cutanées sont bio-imprimés, créant une réparation en couches avec de l’os, une couche barrière, le derme et l’épiderme. Crédit d’image: Laboratoire Ozbolat, Penn State
Ozbolat et son équipe ont utilisé la bio-impression par extrusion et la bio-impression par gouttelettes de mélanges de cellules et de matériaux de support pour imprimer à la fois des os et des tissus mous. Ils ont rapporté leurs résultats dans Advanced Functional Materials.
« Il n’y a pas de méthode chirurgicale pour réparer les tissus mous et durs à la fois », a déclaré Ozbolat. «C’est pourquoi nous avons cherché à démontrer une technologie qui nous permet de reconstruire tout le défaut – de l’os à l’épiderme – en une seule fois.»
Les chercheurs ont d’abord abordé le problème du remplacement osseux, en commençant en laboratoire et en passant à un modèle animal. Ils avaient besoin de quelque chose qui était imprimable et non toxique et pouvait réparer un trou de 5 millimètres dans le crâne. L ‘«encre tissulaire dure» se composait de collagène, de chitosane, de nano-hydroxyapatite et d’autres composés et de cellules souches mésenchymateuses – des cellules multipotentes présentes dans la moelle osseuse qui créent des os, du cartilage et de la graisse médullaire.
L’encre pour tissus durs extrude à température ambiante mais chauffe à la température corporelle lorsqu’elle est appliquée. Cela crée une réticulation physique du collagène et d’autres parties de l’encre sans aucun changement chimique ou la nécessité d’un additif de réticulation.
Les chercheurs ont utilisé l’impression de gouttelettes pour créer les tissus mous avec des couches plus minces que l’os. Ils ont utilisé du collagène et du fibrinogène en couches alternées avec des composés de réticulation et de croissance. Chaque couche de peau, y compris l’épiderme et le derme, diffère, de sorte que les couches de tissus mous bio-imprimés diffèrent par leur composition.
Les expériences de réparation de trous de 6 mm dans une peau pleine épaisseur se sont avérées fructueuses. Une fois que l’équipe a compris la peau et les os séparément, ils sont passés à la réparation des deux au cours de la même intervention chirurgicale.
«Cette approche était un processus extrêmement difficile et nous avons en fait passé beaucoup de temps à trouver le bon matériau pour les os, la peau et les bonnes techniques de bio-impression», a déclaré Ozbolat.
Après une imagerie minutieuse pour déterminer la géométrie du défaut, les chercheurs ont déposé la couche osseuse. Ils ont ensuite déposé une couche barrière imitant le périoste, une couche tissulaire fortement vascularisée qui entoure l’os du crâne.
«Nous avions besoin d’une barrière pour garantir que les cellules des couches cutanées ne migrent pas dans la zone osseuse et ne commencent à y pousser», a déclaré Ozbolat.
Après avoir posé la barrière, les chercheurs ont imprimé les couches de derme puis l’épiderme.
«Il a fallu moins de 5 minutes à la bio-imprimante pour déposer la couche osseuse et les tissus mous», a déclaré Ozbolat.
Les chercheurs ont effectué plus de 50 fermetures de défauts et ont obtenu une fermeture à 100% des tissus mous en quatre semaines. Le taux de fermeture de l’os était de 80% en six semaines, mais Ozbolat a noté que même avec un remplacement osseux prélevé, la fermeture osseuse n’atteignait généralement pas 100% en six semaines.
Selon Ozbolat, le flux sanguin vers l’os est particulièrement important et l’inclusion de composés vascularisants est une prochaine étape.
Les chercheurs souhaitent également traduire cette recherche en applications humaines et continuent de travailler avec des neurochirurgiens, des chirurgiens craniomaxillo-faciaux et des chirurgiens plasticiens du Penn State Hershey Medical Center. Ils utilisent un dispositif de bio-impression plus grand sur les animaux plus gros.
La source: Université Penn State
