Développement d'une plate forme de bioimpression mulmtimatériaux et multicellulaires pour l'élaboration de modèles de microenvironnements – PrinTiss

Pour atteindre les objectifs du projet PrinTiss, une approche interdisciplinaire a été adoptée, combinant microfluidique, photopolymérisation laser et biologie tissulaire. La plateforme FlowPrint, développée conjointement par le LAAS-CNRS et Fluigent, repose sur une tête d’impression microfluidique intégrant des canaux d’injection et d’aspiration pour une livraison localisée des matériaux, ainsi que des fibres optiques pour une polymérisation ciblée. Cette conception utilise un principe de confinement hydrodynamique qui permet de maintenir un flux localisé de matériau tout en évitant la contamination croisée grâce à un système d’aspiration intégré. La géométrie des canaux a été optimisée par des simulations numériques pour garantir une résolution élevée et une reproductibilité des structures imprimées.

L’instrumentation microfluidique développée par Fluigent a permis de synchroniser l’injection des matériaux avec la photopolymérisation en contrôlant précisément les paramètres critiques tels que les débits, les pressions et la vitesse de déplacement de la tête d’impression. Un logiciel dédié a été conçu pour automatiser le processus d’impression en générant des trajectoires optimisées à partir de fichiers 3D et en ajustant dynamiquement les paramètres en fonction des matériaux utilisés. Parallèlement, l’équipe RESTORE a mis au point des protocoles biologiques pour valider la pertinence des modèles tissulaires imprimés. Des sphéroïdes de cellules souches mésenchymateuses ont été encapsulés dans des hydrogels de GelMA, un biomatériau biocompatible et photopolymérisable, dont les propriétés mécaniques ont été ajustées pour reproduire celles du tissu adipeux natif. Les cultures cellulaires ont été réalisées dans des conditions optimisées pour favoriser la différenciation en adipocytes fonctionnels tout en préservant l’intégrité des réseaux vasculaires.

Une bibliothèque de biomatériaux photopolymérisables a été mise en place au LAAS-CNRS. Ces matériaux, dont les propriétés rhéologiques et mécaniques sont contrôlables par photopolymérisation, sont désormais utilisés en routine dans plusieurs projets. Dans le cadre du projet OptiStem, un robot de pipetage a été développé pour permettre la manipulation et l’encapsulation d’organoïdes de grande taille, élargissant ainsi les capacités de la plateforme initiale.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet PrinTiss ont confirmé la réussite des approches méthodologiques mises en œuvre tout en démontrant la pertinence scientifique et technologique de la plateforme Flowprint. Dès les premiers mois du projet, le consortium a réussi à valider une tête d’impression microfluidique capable de combiner microfluidique et photopolymérisation pour une bioimpression à haute résolution. Grâce à l’intégration de fibres optiques et à un système de confinement hydrodynamique optimisé, la plateforme a atteint une résolution inférieure à vingt micromètres, comme initialement prévu, tout en permettant une impression multimatériaux avec des transitions rapides entre les matériaux.

La plateforme a démontré sa capacité à imprimer des structures bidimensionnelles et tridimensionnelles complexes en utilisant des hydrogels PEGDA et GelMA, avec une résolution minimale de vingt micromètres. Les tests ont confirmé une viabilité cellulaire supérieure à quatre-vingt-dix pour cent après encapsulation dans des hydrogels de GelMA, ainsi qu’une différenciation réussie en adipocytes fonctionnels. La technologie a également permis d’imprimer des structures multimatériaux avec des transitions rapides entre matériaux, validant ainsi sa flexibilité pour des applications en ingénierie tissulaire.

L’équipe RESTORE a validé la pertinence biologique des modèles tissulaires imprimés en démontrant la formation de réseaux vasculaires dans les sphéroïdes encapsulés, confirmée par immunomarquage. Ces modèles ont reproduit les caractéristiques clés des tissus adipeux natifs, comme l’expression inductible de l’UCP1 et une respiration mitochondriale accrue, confirmant leur pertinence pour l’étude des maladies métaboliques. Une bibliothèque de biomatériaux photopolymérisables a été développée et est désormais utilisée en routine dans plusieurs projets. Ces matériaux permettent un contrôle spatial des propriétés mécaniques et rhéologiques, essentielles pour des applications en ingénierie tissulaire.

Des collaborations industrielles ont été initiées avec des partenaires comme Alvéole pour explorer le couplage entre photopatterning et bioimpression. Des discussions avec Cellink et Gilson sont en cours pour évaluer des applications potentielles.

Les perspectives ouvertes par le projet PrinTiss s’articulent autour de trois axes principaux : l’extension des applications technologiques vers des questionnements biologiques fondamentaux, le renforcement des collaborations industrielles et académiques et la consolidation des avancées scientifiques pour des applications cliniques. À court terme, la plateforme FlowPrint s’orientera vers des applications plus fondamentales en biophysique visant à créer des microenvironnements bidimensionnels et tridimensionnels aux propriétés mécaniques et compositionnelles hétérogènes. Ces développements cibleront notamment des modèles d’épithéliums et d’endothéliums, avec un focus particulier sur les mécanismes de vascularisation du tissu adipeux.

Les collaborations industrielles initiées, notamment avec Alvéole, offriront des perspectives pour explorer le couplage entre le photopatterning sous microscope et la technologie FlowPrint. Ces partenariats pourraient permettre de démontrer la complémentarité de ces approches pour la génération de microenvironnements cellulaires contrôlés. Par ailleurs, les discussions en cours avec des acteurs comme Cellink et Gilson pourraient aboutir à des collaborations de recherche visant à évaluer l’intégration des biomatériaux développés dans leurs plateformes existantes.

À plus long terme, les perspectives cliniques représentent un enjeu majeur. Les modèles de tissu adipeux beige prévascularisé pourraient être optimisés pour des applications thérapeutiques, notamment dans le traitement de l’obésité et du diabète de type deux. Pour cela, il sera nécessaire de valider la fonctionnalité métabolique et la stabilité des tissus imprimés in vivo en collaboration avec des partenaires cliniques. Les travaux en cours sur la caractérisation des propriétés mécanobiologiques des hydrogels et sur l’encapsulation d’organoïdes fourniront des bases solides pour ces développements.

Un dernier volet des perspectives concerne la poursuite des travaux fondamentaux sur la compréhension des mécanismes de photopolymérisation et leur impact sur les propriétés des hydrogels. Ces travaux pourraient conduire à des avancées significatives dans la maîtrise des propriétés mécaniques des biomatériaux, essentielles pour des applications en ingénierie tissulaire.

[1] Gozde Eke, Laurence Vaysse, Xi Yao, Mélanie Escudero, Audrey Carrière, et al.. Cell Aggregate Assembly through Microengineering for Functional Tissue Emergence. Cells, 2022, 11 (9), pp.1394. ?10.3390/cells11091394?. ?hal–03675727?

[2] Laurent Malaquin, Jean–Louis Viovy, Sandrine Assié–Souleille, Xavier Dollat, Victor Fournié. PRINT HEAD OF A PRINTER , PRINTER AND PRINTING METHOD. France, Patent n° : US 10,947,491 B2 ; EU EP3661754A1. 2019. ?hal–05097050?

[3] Victor Fournié, Bastien Venzac, Emmanuelle Trevisiol, Julie Foncy, Julien Roul, et al.. A microfluidics–assisted photopolymerization method for high–resolution multimaterial 3D printing. Additive Manufacturing, 2023, 72, pp.103629. ?10.1016/j.addma.2023.103629?. ?hal–04116522?

[4] Sandrine Assié–Souleille, Lionel Séguier, David Gauchard, I. Drobecq, Bernard Franc, et al.. Stereolithography 3D printing method for multi–material hydrogel 2D photo–patterning in a microfluidic chip. Micro and Nano Engineering, 2025, 27, pp.100301. ?10.1016/j.mne.2025.100301?. ?hal–05268436?

[5] Jeanne Aigoin, Bruno Payré, Jeanne Minvielle Moncla, Mélanie Escudero, Dominique Goudouneche, et al.. Comparative Analysis of Electron Microscopy Techniques for Hydrogel Microarchitecture Characterization: SEM, Cryo–SEM, ESEM, and TEM. ACS Omega, 2025, 10 (15), pp.14687–14698. ?10.1021/acsomega.4c08096?. ?hal–05268407?

Ce projet vise le développement d’une plateforme de bioimpression multimatériaux basée sur une combinaison de concepts microfluidiques et de photopolymérisation pour la réalisation de modèles de tissus. Ce système sera adapté à la manipulation de différents blocs de construction tels que des biomatériaux reproduisant les propriétés de la matrice extra cellulaire, des cellules et des spheroïdes (ou organoïdes) avec une précision de placement jusqu'à l’échelle cellulaire. Notre objectif est de valoriser les capacités de la plateforme pour la réalisation de modèles de tissus reproduisant les éléments clefs du microenvironnement en conditions physiologiques et physiopathologiques, favorisant leur évolution vers un état fonctionnel. Ces modèles permettront l’exploration des interactions entre cellules et sphéroïdes et entre tissue et matrice. Nous démontrerons la pertinence de cette approche au travers d’un étude fondamentale des mécanismes de prévascularisation dans le tissu adipeux.