Dispositif innovant pour étudier les systèmes multicellulaires 3D

Développement de dispositifs 3D pour l’étude des systèmes multicellulaires

Pour étudier les forces biomécaniques dans les systèmes multicellulaires, une stimulation mécanique efficace est un outil essentiel. Un dispositif en microstructure 3D a été conçu grâce à l’impression 3D basée sur la polymérisation à deux photons (2PP) pour imiter l’environnement multicellulaire humain. En utilisant les bio-résines IP-PDMS et BIO INX de Nanoscribe, ce dispositif permet des cultures cellulaires organotypiques 3D de haute fidélité. L’encapsulation de plusieurs types cellulaires et la stimulation mécanique précise via un cantilever déclenchent des réponses cellulaires spécifiques ainsi que des changements morphologiques au sein du dispositif. Cette approche innovante offre la possibilité d’étudier en détail les stimuli mécaniques sur des systèmes multicellulaires.

Une méthode adaptée à la recherche biomédicale

Les activités cellulaires telles que le développement, la morphogenèse et le métabolisme sont significativement influencées par des forces mécaniques. Bien que des recherches antérieures aient examiné les réponses cellulaires aux stimuli mécaniques dans des environnements bidimensionnels, il reste difficile de reproduire ces conditions complexes dans un cadre contrôlé et tridimensionnel. Les chercheurs de l’Université de Heidelberg, intégrés au Cluster d’Excellence 3D Matter Made to Order (3DMM2O), ont résolu cette problématique en utilisant la technologie de microfabrication 3D de Nanoscribe pour créer des microstructures 3D multifonctionnelles et de haute résolution.

Conception des microdispositifs

Les scientifiques du laboratoire Selhuber-Unkel ont conçu le dispositif en utilisant un logiciel CAO et l’ont optimisé avec une analyse par éléments finis pour prédire la déformation sous stimulation mécanique. La partie extérieure du dispositif a été imprimée à l’aide de l’IP-PDMS, tandis que la partie intérieure était constituée de HYDROBIO INX N400, un bio-résine optimisée pour l’impression avec des cellules vivantes. La qualité d’impression a été vérifiée à l’aide de microscopie électronique à balayage (SEM) ainsi que de microscopie en champ clair et en fluorescence, garantissant un taux de gonflement et de rétrécissement minimal. Les dispositifs finaux étaient capables de soutenir des systèmes multicellulaires tout en permettant une stimulation mécanique précise grâce à un cantilever.

Propriétés supérieures pour l’impression multimatériaux 3D

L’impression multimatériaux a permis de créer un dispositif microstructuré 3D qui mime des environnements mécaniques complexes in vivo. L’IP-PDMS de Nanoscribe a été choisi en raison de son élasticité et de sa flexibilité, le rendant idéal pour le scaffolding cellulaire et l’ingénierie tissulaire. En tant que résine la plus souple proposée par Nanoscribe, avec un module de Young de 15,3 MPa, l’IP-PDMS permet la création de structures durables et flexibles. Le HYDROBIO INX N400, un hydrogel à base de gélatine naturelle, a été sélectionné pour sa compatibilité avec l’impression de cellules vivantes, permettant ainsi d’incorporer des fibroblastes comme synoviocytes (HFLS) et des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) pour établir un environnement multicellulaire réaliste.

Analyse des changements morphologiques dans les cellules stimulées

Le dispositif microstructuré 3D imprimé a subi plusieurs tests rigoureux pour vérifier sa fonctionnalité et son efficacité. Un nanoindenteur muni d’un cantilever à rigidité connue a été utilisé pour appliquer des forces contrôlées sur le dispositif, ciblant spécifiquement le pont en IP-PDMS pour induire un déplacement précis dans le cylindre d’hydrogel contenant les cellules. Les forces appliquées variaient de 200 μN à des fréquences de 0,5 Hz à 1 Hz. À 1 Hz, la fréquence plus élevée entraînait un déplacement moindre en raison des propriétés de la résine à base d’hydrogel, conduisant à moins de changements morphologiques dans les cellules. Lorsque la stimulation mécanique était appliquée à 0,5 Hz pendant 30 minutes, les cellules montraient des changements morphologiques significatifs et un remodelage de l’actine, les fibres d’actine montrant réorganisation et alignement en réponse à l’étirement mécanique cyclique.

Équipe du projet

• Institut pour l’ingénierie des systèmes moléculaires et des matériaux avancés (IMSEAM) – Université de Heidelberg
• Centre pour les études organisme – Université de Heidelberg
• Cluster d’Excellence – 3D Matter Made to Order (3DMM2O)

Amélioration de l’efficacité et de la qualité en bioprinting 3D

Les scientifiques du 3DMM2O ont obtenu des résultats impressionnants malgré la nécessité de couture pour imprimer leur dispositif avec le Photonic Professional GT2 de Nanoscribe. L’utilisation d’une imprimante bioprintrice 3D de haute précision, le Quantum X bio de Nanoscribe, pourrait éliminer le besoin de couture et offrir des avantages supplémentaires. Cette imprimante, avec son champ d’impression plus vaste, permet des impressions du dispositif microstructuré 3D sans couture. La fonction de réglage avancée du Quantum X bio faciliterait le processus d’impression secondaire avec le HYDROBIO INX N400, réduisant les erreurs potentielles grâce à un superposition précise. De plus, le Quantum X bio offre des environnements de température et d’humidité contrôlés, un flux d’air filtré HEPA, et des connexions optionnelles pour mélanges d’air/CO2, contribuant à des résultats plus fiables et de qualité supérieure.