{{{sourceTextContent.title}}}

Contrôle précis du débit pour les applications complexes impliquant des hydrogels

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

La tête d'impression Puredyne® aide les chercheurs à améliorer la reproductibilité et la fidélité des formes dans la bio-impression par extrusion

{{{sourceTextContent.description}}}

La bio-impression 3D par extrusion est devenue un outil essentiel pour la médecine régénérative et l'ingénierie tissulaire, permettant la fabrication de structures tridimensionnelles complexes destinées à la recherche biomédicale. Cependant, le traitement de biomatériaux avancés pose souvent des défis importants, en particulier lorsqu'un dépôt précis et reproductible du matériau est requis.

Pour relever ces défis, les chercheurs du Laboratoire des biomatériaux et de la biofabrication de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal ont intégré une tête d’impression Puredyne® à leur plateforme de bio-impression existante. L’objectif du projet est d’améliorer la précision et la reproductibilité de l’impression tout en approfondissant la compréhension de l’influence du comportement de distribution sur la qualité des structures bio-imprimées.

La recherche est dirigée par le professeur Ali Ahmadi, avec la professeure Sophie Lerouge en tant que co-chercheuse principale. Sara Badr, doctorante, a joué un rôle clé tout au long du projet, en contribuant au développement des biomatériaux, à l’intégration du processus d’impression et à la validation expérimentale.

Travailler avec des biomatériaux exigeants

Les travaux de l’équipe portent sur les hydrogels alvéolaires, une classe prometteuse de biomatériaux pour l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative. Leur architecture poreuse facilite le transport de l’oxygène et des nutriments tout en créant un environnement propice à la croissance cellulaire et au développement tissulaire.

Parallèlement, ces matériaux présentent un comportement viscoélastique complexe, ce qui rend leur traitement particulièrement difficile à réaliser de manière homogène. De légères variations dans l’écoulement du matériau peuvent affecter de manière significative le placement des filaments et, au final, influencer la géométrie et la qualité de la structure imprimée. Pour les chercheurs, ces caractéristiques font des hydrogels en mousse un système modèle idéal pour évaluer les technologies de distribution avancées.

Intégration d’une distribution de précision dans une plateforme existante

Plutôt que de développer un tout nouveau système de bio-impression, l’équipe de recherche a intégré la tête d’impression Puredyne® à sa plateforme existante. Pour y parvenir, des adaptations tant mécaniques que logicielles ont été nécessaires.

Un système de fixation sur mesure a été conçu et fabriqué à l’aide de la technologie d’impression 3D afin d’installer solidement la tête d’impression. Parallèlement, des routines logicielles supplémentaires ont été développées pour permettre la communication et le contrôle via l’environnement d’exploitation existant de l’imprimante.

Selon les chercheurs, l’un des objectifs les plus critiques était la capacité à déclencher et à arrêter avec précision le débit de matériau pendant l’impression. Les méthodes d’extrusion conventionnelles peuvent être confrontées à des fuites indésirables de matériau après le dépôt, en particulier lors du traitement de formulations hautement viscoélastiques. Cet effet peut nuire à la précision d’impression et réduire la concordance entre la conception numérique et la structure finale.

Contrairement aux systèmes d’extrusion à pression, la tête d’impression Puredyne® utilise la technologie à cavité progressive pour contrôler le déplacement du matériau de manière volumétrique. Conçue pour une distribution à faible cisaillement et sans pulsations sur une large plage de viscosité, elle assure un acheminement du matériau hautement reproductible avec un démarrage et un arrêt contrôlés du flux, ce qui contribue à réduire les fuites indésirables de matériau entre les mouvements d’impression.

Amélioration de la précision de dépôt

L’intégration de la tête d’impression Puredyne® a déjà donné des résultats encourageants. Bien qu’une analyse comparative quantitative formelle soit toujours en cours, l’équipe a observé un démarrage et un arrêt plus nets du débit, une réduction du débit post-extrusion et un meilleur positionnement des filaments déposés.

Ces améliorations se sont traduites par une meilleure concordance entre les géométries des échafaudages conçus et imprimés, ce qui a permis d’obtenir une plus grande fidélité de forme et des résultats d’impression plus reproductibles.

« Un contrôle constant de l’écoulement est essentiel en bio-impression. La tête d’impression Puredyne® nous offre des démarrages et des arrêts plus nets, ce qui améliore le placement des filaments et permet à la structure imprimée de correspondre davantage à sa conception numérique. » Sara Badr, doctorante, Laboratoire des biomatériaux et de la biofabrication, ÉTS.

Au-delà des améliorations de performances observées, le projet a mis en évidence l’importance de la dynamique de distribution dans les applications de bio-impression. Les chercheurs ont constaté que la manière dont le débit de matière est contrôlé, en particulier lors de la transition entre les phases d’extrusion et de non-extrusion, a un impact significatif sur la précision d’impression lors du traitement de mousses et d’autres hydrogels viscoélastiques.

Une pertinence qui dépasse le cadre du laboratoire de recherche

Pour l’ÉTS, l’intégration de la tête d’impression Puredyne® élargit la capacité du laboratoire à étudier des biomatériaux qui imposent des exigences particulièrement élevées en matière de stabilité d’écoulement et de précision de distribution. Le contrôle amélioré du processus crée également une plateforme plus robuste pour les futures recherches en biofabrication.

Parallèlement, le projet démontre comment la technologie industrielle de dosage de précision peut être adaptée avec succès à des applications biomédicales émergentes. Alors que la biofabrication continue d’évoluer vers des matériaux et des structures de plus en plus complexes, un dépôt fiable des matériaux devrait jouer un rôle clé pour garantir la cohérence des procédés et la qualité des produits. Le projet illustre également comment une tête d’impression de précision peut être intégrée à une plateforme de bio-impression existante. Il met en outre en évidence les applications potentielles de la technologie de dosage de précision dans l’automatisation des laboratoires, la biofabrication avancée et les futurs procédés de fabrication biomédicaux.

Prochaines étapes

S’appuyant sur ces premiers résultats, les chercheurs prévoient d’évaluer une gamme plus large de biomatériaux, y compris des hydrogels chargés de cellules. Les travaux futurs se concentreront sur l’évaluation quantitative de la précision et de la répétabilité de l’impression, l’étude de la biocompatibilité et de la viabilité cellulaire, ainsi que l’exploration de la fabrication de structures tridimensionnelles plus grandes et plus complexes. Les essais avec des matériaux chargés de cellules permettront d’évaluer dans quelle mesure une distribution à faible cisaillement favorise les performances d’impression souhaitées tout en préservant la viabilité cellulaire.

Au fur et à mesure de l’avancement du projet, l’équipe prévoit d’évaluer plus en détail comment un contrôle précis du débit peut contribuer à des processus de bio-impression plus fiables et évolutifs pour de futures applications biomédicales.