Valves cardiaques artificielles bioinspirées fabriquées par la fabrication d'additifs au silicone

preeflow® eco-PEN300 "imprime" un implant synthétique

Dans un processus de fabrication additive, des modèles virtuels de valves cardiaques sont créés à l'aide d'un scanner CT et d'un distributeur monocomposant eco-PEN300 à pré-débit : Fergal Coulter du "Groupe des matériaux complexes" de l'EPF de Zurich a entrepris des recherches dans le domaine de la technologie médicale - plus précisément pour la fabrication additive de valvules cardiaques artificielles. Ces valves ont été fabriquées en utilisant des polysiloxanes de qualité médicale sur mesure, ainsi que des produits chimiques qui ont permis d'obtenir des silicones rigides, moyens ou souples après polymérisation déclenchée par les UV. Ces matériaux sont conformes aux normes de biocompatibilité pour la cytotoxicité, ainsi que pour l'irritation et la sensibilisation de la peau. (Source : https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30038-4 )

Un seul processus pour des résultats personnalisés

Un mandrin imprimé en 3D personnalisé est produit, dérivé du scan C/T d'un patient. Parmi les différentes étapes de production, une partie de la valve cardiaque artificielle est appliquée à l'aide du distributeur eco-PEN. Le distributeur est également utilisé pour imprimer des fibres de renforcement en silicone sur les feuillets, puis pour renforcer les bords. Les zones de la valve qui ne sont pas des feuillets (les "triangles intra-aortiques") sont construites en fonction de la scintigraphie de la racine aortique du patient. Ensuite, le silicone est réticulé à l'aide de lumière UV. Dans la deuxième étape, un moule en silicone de la racine aortique est créé. Un alginate est utilisé pour encapsuler temporairement la valve. Le capuchon protège les feuillets de la valve et permet d'appliquer une vasculature artificielle en surplomb et un stent intégré. À cette fin, l'assemblage est scanné avec un laser à une dimension. La surface est virtuellement recréée par ordinateur. Et les trajectoires des outils pour la géométrie d'un stent auxiliaire sont calculées. Ensuite, l'eco-PEN300 est à nouveau utilisé pour l'impression : Les stents imprimés ont une épaisseur d'environ 0,3 mm. Le mandrin de la valve peut maintenant être retiré. Le capuchon d'alginate est retiré par déshydratation au four. Selon qu'un revêtement a été pulvérisé ou non comme étape intermédiaire, le résultat final est une valve cardiaque artificielle spécifique au patient avec un stent aortique couvert ou vitré

La conception des valves cardiaques complétées s'inspire de la biologie humaine (valves à trois valves). En fonction des besoins, une géométrie individuelle est mise en œuvre pour obtenir un produit synthétique sur mesure. Grâce à la fabrication numérique, une valve artificielle est créée en tant qu'implant fonctionnel. Contrairement aux valvules cardiaques mécaniques et aux valvules tissulaires existantes, cette méthode est considérée comme prometteuse pour les applications futures

Les raisons des futures applications prometteuses

▪ Il est possible de fabriquer des valves cardiaques entièrement individuelles (sur la base d'un scanner de la valve cardiaque du patient).

▪ Les produits sont peu coûteux à fabriquer.

▪ En raison des matériaux utilisés, les immunosuppresseurs (anticoagulants) pourraient ne plus être nécessaires à l'avenir.

▪ Non seulement la conception et la géométrie de la valve cardiaque imprimée sont similaires à son homologue biologique, mais aussi sa fonctionnalité, qui a été testée en détail sur la pression sanguine physiologique dans les expériences de Coulter.

▪ La valve cardiaque imprimée renforcée par des fibres a un stress mécanique plus faible et une hémodynamique exceptionnelle (= science du mouvement du sang dans le système vasculaire).

l'eco-PEN imprime une valve cardiaque et un stent

La tâche du distributeur eco-PEN est d'assurer la stabilité de la valve cardiaque et des valves atrioventriculaires. De sorte que le système ne s'effondre pas lorsqu'il est utilisé dans des conditions physiologiques. Comme décrit ci-dessus, l'eco-PEN300 imprime une partie de la valve cardiaque ainsi qu'un stent (= implant médical pour maintenir les vaisseaux ou les organes creux ouverts) ou une structure semblable à un stent pour assurer la stabilité. L'eco-PEN construit donc également le cadre de la valve cardiaque.

Pour la mise en œuvre dans ce domaine sensible, il est important d'avoir une précision parfaitement cohérente dans le domaine de la micro-distribution : La répétabilité doit être garantie pour la distribution de quantités aussi faibles. Ici, les distributeurs légers à pré-distribution ont su convaincre. Comme l'aiguille doit toujours pointer perpendiculairement au mandrin fabriqué avec précision, la technologie de distribution à pré-distribution est complétée par un système de robot agile.

Fergal Coulter à propos du travail avec le distributeur à pré-débit : "L'eco-PEN est une excellente extrudeuse lorsqu'on imprime avec de multiples matériaux différents qui ont des viscosités et des propriétés rhéologiques différentes. La distribution volumétrique précise du stylo supprime les variations de débit de l'extrudat lors d'impressions longues et réduit le temps passé à adapter les profils de pression pour obtenir un flux de matériau constant"

Un aperçu des avantages des distributeurs à pré-débit de haute précision

▪ Simple et adaptable de manière flexible aux géométries individuelles

▪ Intégration facile (l'eco-PEN300 est utilisé avec un espacement de 300 µm et perpendiculairement à la courbure de la surface à couvrir)

▪ Plus petites quantités distribuées avec une répétabilité absolue > 99

Le processus peut être clairement vu dans cette vidéo : https://youtu.be/dvGsNAQ_yVA?t=40

Pour répondre aux exigences du marché de l'impression 3D, ViscoTec a créé sa propre entreprise de fabrication d'additifs de développement commercial en 2016. Le portefeuille a été élargi : Entre-temps, diverses têtes d'impression 3D ont été développées, qui peuvent imprimer des fluides et des pâtes à un ou deux composants et sont encore mieux adaptées à la fabrication d'additifs.

Vision pour l'avenir

Une vision de Fergal Coulter pour les recherches futures : Il pourrait être possible d'imprimer des cellules souches (incorporer des cellules souches) et donc de les intégrer dans la valve - pour qu'elles correspondent à la morphologie

C'est encore un rêve d'avenir, mais il existe déjà des idées initiales pour utiliser les hydrogels chargés de cellules dans l'impression 3D. Un projet de ce type a également été mis en œuvre avec l'aide d'un éco-PEN de pré-débit : Des cellules vivantes ont été distribuées sans les endommager. Pour des fentes d'aération "vivantes" dans les vêtements de sport. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site suivant : https://www.preeflow.com/en/3d-printing-of-fluids/