Une nouvelle étude révèle une méthode d'impression 3D qui crée des valves cardiaques en quelques minutes

Sarah Motta and Christophe Chantre

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Des chercheurs de l'Université de Harvard ont développé une valve cardiaque synthétique qui peut être produite en moins de 10 minutes grâce à l'impression 3D. Ils ont testé le prototype sur des moutons, qui ont réussi à réguler le flux sanguin pendant une heure.

Lorsque les valves cardiaques sont endommagées ou cessent de fonctionner correctement en raison d'une maladie, la circulation du sang dans le corps est perturbée. Cela pourrait en outre entraîner des problèmes tels que les accidents vasculaires cérébraux, l'arythmie et l'insuffisance cardiaque.

Les médecins remplacent donc les valves cardiaques endommagées par des valves synthétiques. Chaque année, plus de 100 000 personnes subissent une opération de valve cardiaque aux États-Unis.

De telles opérations sont coûteuses ; actuellement, les valves synthétiques prennent des mois à produire. Les chercheurs affirment que leur valve imprimée en 3D a le potentiel de surmonter ces deux défis.

En outre, il peut se remodeler. Cela pourrait donc être bénéfique pour les patients (en particulier les enfants atteints de valvulopathie pédiatrique) qui doivent subir des chirurgies valvulaires répétées à mesure que la taille de leur cœur change avec l'âge.

Sarah Motta, Michael Peters, and Christophe Chantre

La valve synthétique proposée comprend un réseau maillé de nanofibres qui se comporte comme la matrice extracellulaire soutenant la croissance des valves cardiaques naturelles à l'intérieur de notre corps.

La fabrication de ces nanofibres est réalisée à l'aide de la filature à jet rotatif focalisé (FRJS), une technologie de fabrication additive qui permet de créer rapidement des échafaudages en micro ou nanofibres avec des alignements ajustables en 3D.

Les chercheurs ont d'abord créé un cadre en forme de valve cardiaque, puis ont utilisé des jets d'air pour pousser un polymère liquide dans le cadre. Cela a conduit au développement d'un maillage de nanofibres sans faille - la valve résultante a un échafaudage poreux où les cellules peuvent venir et se développer.

Kit Parker, auteur principal de l'étude et professeur de bio-ingénierie à Harvard, a expliqué plus en détail : "Les cellules fonctionnent à l'échelle du nanomètre, et l'impression 3D ne peut pas atteindre ce niveau, mais la rotation par jet rotatif focalisé peut y mettre des signaux spatiaux à l'échelle du nanomètre. Ainsi, lorsque les cellules rampent dans cet échafaudage, elles ont l'impression d'être dans une valve cardiaque, pas dans un échafaudage synthétique."

Les chercheurs affirment que contrairement aux technologies actuellement existantes, dont la production peut prendre des semaines ou des mois, ils peuvent faire tourner une valve synthétique complète en moins de 10 minutes en utilisant la méthode susmentionnée.

De plus, de telles valves pourraient bénéficier aux enfants qui souffrent de maladies valvulaires cardiaques et qui nécessitent des interventions chirurgicales répétitives à différents stades de leur vie.

"Malheureusement, les remplacements valvulaires cardiaques actuels ne se développent pas avec l'enfant. Nos valvules sont fabriquées à partir de fibres polymères biodégradables qui permettent aux cellules du patient de se fixer et de remodeler l'échafaudage implanté, construisant éventuellement une valvule native qui peut se développer et vivre avec l'enfant tout au long de sa vie", notent les chercheurs.

Les valves cardiaques synthétiques sont connues pour leur durabilité à vie et leur capacité à faire traverser aux patients des milliards de cycles de battements cardiaques. Les chercheurs ont mené une série d'expériences pour tester si leur valve basée sur FRJS pouvait fonctionner à égalité avec les solutions existantes.

Ils ont d'abord testé la valve avec un duplicateur d'impulsions (simulateur de rythme cardiaque). La valve s'est ouverte, fermée, modifiée et a conservé sa forme avec succès plusieurs fois au cours de l'expérience.

Ensuite, ils ont cultivé des cellules cardiaques sur la valve pour voir si le matériau d'échafaudage était sûr pour favoriser la croissance cellulaire. De plus, "les valves sont en contact direct avec le sang, nous devons donc vérifier que le matériau ne provoque pas de thrombose ou d'obstruction des vaisseaux sanguins", a déclaré Sarah Motta, première auteure et chercheuse translationnelle à l'Université de Zurich.

Après avoir testé l'élasticité, la résistance et la sécurité des valves, les chercheurs ont voulu vérifier si le prototype de valve fonctionnait chez un mammifère.

L'étude suggère que le cœur du mouton est similaire au cœur humain et que leurs valves sont constamment sous pression en raison du métabolisme agressif du calcium de leur corps. Les auteurs ont donc décidé d'opter pour des modèles de moutons.

Ils ont implanté avec succès deux valves chez deux moutons, puis ont utilisé des ultrasons pour les diagnostiquer. Les deux vannes ont commencé à fonctionner immédiatement après l'opération.

En moins d'une heure, la valve synthétique du deuxième mouton a commencé à voir la croissance cellulaire. L'implant contrôlait efficacement le flux sanguin et ne causait pas de thrombose ou d'autres effets secondaires.

Cependant, la valve du premier mouton a cessé de fonctionner après quelques minutes. Selon les chercheurs, il était de "taille incorrecte" ; par conséquent, il n'a pas réussi à s'adapter à l'intérieur du cœur de l'animal.

Enthousiasmés par le succès de leur prototype de valve, les chercheurs prévoient de mener d'autres essais en utilisant différents modèles animaux. Ils souhaitent également tester les performances de leur implant sur de longues durées.

Il faudra beaucoup de temps avant que la technologie ne soit disponible pour les humains, mais lorsqu'elle le sera, cela pourrait changer la façon dont les remplacements de valves cardiaques sont effectués.

L'étude est publiée dans la revue Matter.