L’os a des capacités de régénération remarquables en tant que l’une des rares structures du corps qui peut guérir en recréant sa composition cellulaire normale, son orientation et sa force mécanique jusqu’à une taille de défaut critique, lorsque la capacité de guérison endogène est compromise1. L’os, avec le cartilage et les ligaments, soutient et facilite le mouvement du corps, tout en stockant les minéraux et les graisses et en produisant des cellules sanguines. En tant que tissu conjonctif dur et dense, l’os est principalement composé d’une phase inorganique, d’eau et de matière organique composée principalement de fibres de collagène2. Les cellules sont intégrées dans cette matrice hautement minéralisée de fibres de collagène I et de cristaux d’hydroxyapatite (HA), formant une structure hiérarchique3.
L’organisation complexe de ce tissu rend la fabrication d’alternatives synthétiques pour reproduire les micro et nano-environnements osseux hétérogènes exceptionnellement difficile3. À cette fin, une variété de matériaux, y compris des biocéramiques, des hydrogels chargés de cellules et des matériaux synthétiques ont été proposés comme solutions pour créer des matrices osseuses. Parmi les techniques de fabrication d’échafaudages, les techniques basées sur l’impression 3D ont récemment émergé et ont reçu beaucoup d’attention de la communauté de l’ingénierie tissulaire en raison de leur capacité remarquable à permettre la fabrication de structures hautement sophistiquées et précises avec de grandes promesses de traitement spécifique au patient 4,5,6 . Les hydrogels ont été le choix le plus populaire d’imitations matricielles et de bio-encres car ils peuvent être imprimés avec des cellules et des molécules bioactives, générant des constructions fonctionnelles6. Cependant, les hydrogels n’ont pas les propriétés fonctionnelles de l’os, telles que la résistance mécanique et une phase inorganique hautement calcifiée contenant des cellules métaboliquement actives.
Les échafaudages en céramique imprimés en 3D nécessitent généralement des étapes de post-traitement, y compris le frittage, les traitements à haute température ou l’utilisation de produits chimiques agressifs qui doivent être soigneusement lavés avant les applications in vitro ou in vivo 5. Pour remédier à ces limitations, Lode et coll.7 ont récemment mis au point une pâte à base de phosphate α-tricalcique formée d’hydroxyapatite, qui peut être imprimée et durcie dans des conditions physiologiques. Cependant, ce matériau ne peut toujours pas être imprimé avec des cellules vivantes car il nécessite un post-traitement dans un environnement humide et une immersion ultérieure en solution aqueuse pendant une longue période.
Alternativement, des hydrogels chargés de cellules avec des particules inorganiques incorporées ont été proposés en remplacement de la matrice osseuse 3D 8,9. Malgré leur grande capacité à soutenir la viabilité cellulaire, ils ne sont pas en mesure de récapituler l’environnement du tissu osseux densément minéralisé. Thrivikarman et coll.10 ont adopté une approche biomimétique dans laquelle un milieu sursaturé de calcium et de phosphate a été utilisé avec un analogue protéique non collagène pour mieux imiter le dépôt d’apatite à l’échelle nanométrique. Cependant, leurs constructions ne peuvent toujours pas générer de constructions 3D rigides avec une architecture à l’échelle micro et macro ressemblant à de l’os.
La présente étude comble ces lacunes en élaborant une stratégie d’impression pour fabriquer des constructions imitant les os, en phases inorganiques et organiques, capables d’intégrer à la fois les cellules et les facteursde croissance 11. COBICS récapitule de manière unique la structure minérale et cellulaire de l’os en utilisant une technique de bio-impression à base de microgel. Le protocole décrit ici le processus de synthèse des microgels céramiques à base d’encre d’os et de gélatine, puis de combinaison de cellules permettant COBICS. Le processus commence par la synthèse du principal matériau précurseur de l’encre osseuse. L’hydrogel réticulable est ensuite synthétisé et formé en microgels. Enfin, l’encre osseuse est déposée de manière omnidirectionnelle dans un bain de support des microgels chargés de cellules (Figure 1).
L’encre osseuse peut être imprimée dans n’importe quelle suspension de microgels présentant les caractéristiques de limite d’élasticité appropriées, c’est-à-dire la capacité de fluidiser à une vitesse de cisaillement spécifique et de soutenir ensuite la structure déposée. Deux approches flexibles ont été démontrées : une suspension constituée de microgels de gélatine et une suspension constituée de microgels de méthacrylate de gélatine (GelMA). La première suspension se dissout lorsque la température est portée à 37 °C, la technique d’encastrement réversible d’hydrogels en suspension (FRESH)12, tandis que la seconde peut être photoréticulée après impression, ce qui permet de « coudre » efficacement les microgels ensemble et de verrouiller l’encre osseuse imprimée en place. La présente étude se concentre sur l’utilisation de GelMA comme matrice car elle offre l’avantage unique de pouvoir soutenir la croissance cellulaire avec l’impression in situ de structures mimétiques osseuses complexes. En fin de compte, cette approche permet la génération de modèles tissulaires complexes avec des niveaux élevés de biomimétisme et de vastes implications pour la modélisation de la maladie, la découverte de médicaments et l’ingénierie régénérative.

Figure 1 : Schéma du flux de travail. (A) L’encre osseuse est synthétisée à partir de la synthèse du phosphate α-tricalcique et de sa combinaison ultérieure avec du glycérol, du polysorbate 80 et du phosphate d’ammonium dibasique. (B) Les microgels GelMA sont fabriqués par la méthode de l’émulsion eau dans huile. Les microgels obtenus sont alors (C) hydratés et (D) combinés avec des cellules. Les composites cellule-microgel sont ensuite utilisés comme un bain granulaire dans lequel l’encre osseuse est déposée. (E) L’ensemble de la construction est ensuite réticulé par UV et transféré à l’incubateur pour la culture. Abréviations : α-TCP = phosphate α-tricalcique; GelMA = méthacrylate de gélatine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.