Échodirection de la bioimpression : une nouvelle frontière de la médecine de précision

Le système de santé et médical a parcouru un long chemin au cours du dernier siècle. À l’époque, les humains dépendaient des plantes médicinales. Mais bien sûr, ils manquaient de constance et de spécificité dans la délivrance du médicament.

Ensuite, les pilules et les capsules sont devenues populaires pour stocker les produits pharmaceutiques. Ils se dissolvent lorsqu’ils entrent en contact avec les fluides gastro-intestinaux, pénètrent la paroi de l’intestin et sont ensuite absorbés dans le sang à travers les capillaires sanguins sans contrôle sur la libération du médicament.

L’utilisation d’un revêtement sur les médicaments pour masquer leur saveur amère a modifié davantage le taux de libération du médicament. Au fil du temps, les matériaux de revêtement ont évolué de l’or et de l’argent à la nacre, au sucre et aux revêtements entériques.

Le revêtement entérique est un revêtement polymère externe sur les médicaments oraux. Cette barrière empêche le médicament de se dissoudre dans l’environnement gastrique de l’estomac, permettant ainsi une libération contrôlée. Les progrès réalisés dans ces revêtements au fil des ans ont encore amélioré la délivrance des médicaments.

Le premier thérapeutique nanoparticulaire sous la forme d’un conjugué polymère-médicament a été signalé dans les années 1950, tandis que la première nanotechnologie, connue sous le nom de liposome, n’a été découverte qu’à la fin des années 1960. Les deux ont marqué l’origine des nanovecteurs.

Au fil du temps, des polymères intelligents et des hydrogels ont été développés pour stabiliser les systèmes de délivrance de médicaments, tandis que des efforts ont été faits pour développer des systèmes de délivrance de médicaments ciblés par la nanotechnologie.

Ces dernières années, des progrès importants ont été réalisés vers le développement réussi d’appareils de délivrance de médicaments localisés qui permettent un contrôle précis de la libération des médicaments. Des techniques telles que les micelles, les hydrogels, les liposomes et les nanoparticules offrent une libération prolongée d’agents thérapeutiques à des endroits spécifiques.

Ces approches améliorent l’efficacité du traitement tout en minimisant la toxicité tissulaire en évitant la circulation systémique des agents thérapeutiques.

Les appareils de délivrance de médicaments implantables, en particulier, livrent efficacement les médicaments dans des régions localisées. Ces appareils sont constitués de composants biocompatibles et biodégradables et peuvent être conçus pour libérer des médicaments avec différentes doses et pour une délivrance continue et intermittente.

Un focus particulier est mis sur les implants de tissus profonds non invasifs, également appelés implants intelligents ou implants minimalement invasifs. Ces appareils, conçus pour surveiller les fonctions corporelles, livrer des médicaments ou même aider à la régénération tissulaire, sont placés dans le corps sans procédures chirurgicales extensives.

Maintenant, une équipe de scientifiques de Caltech a réalisé des progrès importants vers l’objectif ultime de fournir aux médecins la capacité de imprimer avec précision des capsules miniatures qui peuvent livrer des cellules nécessaires à la réparation tissulaire à l’endroit exact, tel que à l’intérieur d’un cœur qui bat.

Pour cela, ils ont construit la plate-forme d’impression sonore in vivo de tissus profonds (DISP). La nouvelle technique d’impression 3D guidée par imagerie a été publiée dans la revue Science.

DISP : Impression sonore guidée par imagerie pour les thérapeutiques de tissus profonds

Les objets tridimensionnels (3D) ou la fabrication additive gagnent beaucoup de traction grâce à leur polyvalence, à leur capacité à créer des conceptions complexes et à leurs options de personnalisation.

Dans le processus de fabrication, les objets 3D sont créés à partir d’un fichier numérique en superposant des couches de matériau. Cela permet une prototypage rapide, une réduction des coûts de fabrication et des produits personnalisés, ce qui a conduit à son adoption généralisée, en particulier dans des domaines tels que la fabrication, les soins de santé et même la mode.

Dans les soins de santé, l’impression 3D révolutionne la production d’implants médicaux. Elle est devenue un outil très précieux pour générer des implants spécifiques aux patients, à la fois à l’extérieur et directement à l’intérieur du corps.

Cependant, cette promesse d’implants personnalisés est confrontée aux limites de la nécessité de procédures chirurgicales invasives. Les implants pour l’intérieur du corps sont encore limités par la nécessité de matériaux précurseurs et d’une méthode de polymérisation sûre pour une utilisation dans un corps humain qui peut être activée avec précision de l’extérieur du corps.

Pour résoudre ces problèmes, les scientifiques se tournent vers l’impression sonore.

Par exemple, dans une étude l’an dernier, des chercheurs de la faculté de génie biomédical de Technion ont présenté une technique non invasive pour la bioimpression de tissus et de cellules profondément à l’intérieur du corps par irradiation d’ondes sonores externes.

Maintenant, l’équipe de scientifiques de l’Institut de technologie de Californie a construit une plate-forme qui exploite l’impression sonore guidée par imagerie, capable d’aller beaucoup plus loin que les autres méthodes.

Au lieu de l’impression 3D traditionnelle, qui comporte des buses, il y a des faisceaux de son ciblés qui génèrent des pointes de température contrôlées pour initier un processus d’impression.

Financée par les National Institutes of Health, la Société américaine du cancer, l’Institut de recherche médicale Heritage et l’Initiative de défis à UCLA, l’étude combine l’impression sonore avec des liposomes à basse température (LTSL) chargés d’agents de réticulation.

Les liposomes ou les vésicules lipidiques sont de petites structures fermées trouvées dans les cellules vivantes qui contiennent des lipides, qui sont un groupe de composés tels que les graisses, les cires, les monoglycérides et les diglycérides qui effectuent diverses fonctions dans notre corps, notamment le stockage d’énergie, la signalisation, l’absorption des vitamines, la fabrication d’hormones et en tant que composants structurels des membranes cellulaires.

Ces vésicules sont utilisées dans diverses applications, notamment la ciblage de médicaments, la délivrance de médicaments et les études in vitro de la dynamique des membranes cellulaires.

Les liposomes de l’étude sont immergés dans une solution polymère qui contient les monomères du polymère souhaité et la charge utile à livrer, telle qu’un médicament thérapeutique.

Le polymère est un agent de contraste d’imagerie qui révèle quand la réticulation a eu lieu. Dans l’étude, des vésicules à gaz sont utilisées à cette fin. Grâce à un suivi en temps réel, l’imagerie à ultrasons basée sur les vésicules à gaz (GV) permet la création de modèles personnalisés chez des animaux vivants.

Les GV sont des nanostructures de protéines remplies d’air qui agissent comme agents d’imagerie et thérapeutiques pour les techniques d’ultrasons, de résonance magnétique et optiques. Ils sont de plus en plus utilisés comme agents de contraste dans l’imagerie à ultrasons en raison de leurs propriétés uniques qui leur permettent de générer un contraste non linéaire sous ultrasons. Les GV peuvent être codés génétiquement et ingénieurs, ce qui les rend polyvalents comme agents d’imagerie.

L’intégration de LTSL chargés d’agents de réticulation dans la bioencre permet à la nouvelle plate-forme d’offrir une réticulation rapide et précise de divers biomatériaux fonctionnels sur demande en utilisant l’ultrason focalisé.

L’équipe a validé leur plate-forme en imprimant avec succès près des zones cancéreuses dans la vessie de la souris et profondément dans les muscles des pattes du lapin in vivo.

En utilisant la plate-forme DISP pour imprimer des polymères chargés d’un médicament chimiothérapeutique (doxorubicine) près d’une tumeur de la vessie chez la souris, l’équipe a pu atteindre une mort cellulaire tumorale beaucoup plus importante pendant plusieurs jours que ceux qui ont reçu le médicament par injection directe de solutions de médicament.

Sécurité, précision et biocompatibilité : le potentiel clinique de la DISP

L’équipe de Caltech a développé une technique pour imprimer des polymères à des endroits spécifiques profondément à l’intérieur d’animaux vivants. Elham Davoodi, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université de l’Utah, est l’auteur principal de l’étude, qu’il a réalisée alors qu’il était boursier postdoctoral à Caltech.

Cette méthode utilise le son pour la localisation. Déjà, elle a été utilisée pour imprimer des polymères adhésifs pour sceller les blessures internes et des capsules polymères pour la délivrance sélective de médicaments.

Les scientifiques ont précédemment utilisé la lumière infrarouge pour activer la polymérisation, le processus par lequel de petites unités appelées monomères sont liées ensemble pour former de plus grandes molécules appelées polymères, à l’intérieur d’animaux vivants.

Cependant, l’infrarouge a une pénétration très limitée. « Elle ne va que juste en dessous de la peau », a noté Wei Gao, professeur de génie médical à Caltech et chercheur à l’Institut de recherche médicale Heritage.

En revanche, la nouvelle technique peut atteindre les tissus profonds et peut également imprimer différents matériaux pour une large gamme d’applications tout en « maintenant une excellente biocompatibilité ».

Pour réaliser l’impression in vivo de tissus profonds, l’équipe s’est tournée vers l’ultrason, une plate-forme largement utilisée en biomedecine à cette fin.

Mais ils avaient besoin d’un moyen d’activer la liaison des monomères, ou la réticulation, à un endroit spécifique et seulement lorsque cela est souhaité.

L’équipe a donc introduit une nouvelle méthode, en combinant l’ultrason avec des LTSL chargés d’agents de réticulation et ensuite incorporés dans une solution polymère contenant des monomères de polymère et la charge utile à livrer, telle qu’un médicament thérapeutique. D’autres composants, tels que des cellules et des matériaux conducteurs tels que l’argent ou les nanotubes de carbone, peuvent également être inclus ici. La bioencre résultante a ensuite été injectée directement dans le corps.

Maintenant, pour initier l’impression, les scientifiques ont utilisé l’ultrason focalisé, qui a augmenté la température dans une zone ciblée de quelques (environ 5) degrés. Cela provoque la libération des liposomes de leur contenu, de sorte que l’impression de polymère peut commencer dans un emplacement précis. Selon Gao :

« L’augmentation de la température de quelques degrés Celsius suffit pour que la particule de liposome libère nos agents de réticulation. Là où les agents sont libérés, c’est là que la polymérisation localisée ou l’impression aura lieu. »

Les vésicules à gaz, qui sont dérivées de bactéries et utilisées comme agent de contraste d’imagerie ici, nous indiquent que tout fonctionne comme prévu en apparaissant fortement dans l’imagerie à ultrasons. Ils sont sensibles aux changements chimiques qui se produisent lorsque la solution de monomère liquide se réticule pour créer un réseau de gel.

Lorsque la transformation a lieu, les vésicules changent de contraste, qui est identifié par l’imagerie à ultrasons. Cela permet aux scientifiques de détecter facilement quand et précisément où la réticulation de polymérisation a eu lieu, leur permettant de modifier les modèles imprimés chez des animaux vivants.

Outre les gels bioadhésifs et les polymères, l’étude détaille également l’utilisation de la technique pour imprimer des hydrogels bioélectriques, des polymères avec des matériaux conducteurs incorporés utilisés pour la surveillance interne des signes vitaux physiologiques.

Maintenant, la vérification de la plate-forme DISP à travers des expériences réussies chez les souris et les lapins sans aucun signe d’inflammation ou de dommage tissulaire met en évidence le potentiel de la plate-forme pour la délivrance de médicaments localisée, le remplacement de tissus et la bioélectronique. Avec le corps qui élimine l’encre non polymérisée dans une semaine, cela met encore en évidence le profil de sécurité de la plate-forme.

De plus, sa capacité à imprimer des matériaux chargés de cellules, de médicaments, bioadhésifs et conducteurs montre sa polyvalence pour diverses applications médicales. Mais bien sûr, pour qu’elle soit traduite en utilisation clinique, la plate-forme nécessite encore des affinements.

« C’est une nouvelle direction de recherche dans le domaine de la bioimpression. Notre prochaine étape est d’essayer d’imprimer sur un modèle animal plus grand, et j’espère que dans un avenir proche, nous pourrons évaluer cela chez l’homme. »

L’équipe vise à améliorer la capacité de la plate-forme DISP à localiser avec précision et à appliquer l’ultrason focalisé grâce à l’apprentissage automatique.

« À l’avenir, avec l’aide de l’IA, nous aimerions être en mesure de déclencher une impression de haute précision à l’intérieur d’un organe en mouvement, tel qu’un cœur qui bat. »

Investir dans la bioimpression 3D

Un acteur précoce dans l’industrie de l’impression 3D, 3D Systems (DDD ) est l’un des noms de premier plan à surveiller à mesure que cet espace évolue. La société fournit des solutions complètes d’impression 3D et de fabrication numérique, notamment des imprimantes 3D pour les métaux, les matériaux et les plastiques, des logiciels et des services.

De laboratoires dentaires et de fabricants automobiles à des concepteurs de semi-conducteurs et de fabricants de dispositifs médicaux, elle conçoit des logiciels et développe des imprimantes pour toutes sortes d’industries et de matériaux.

3D Systems (DDD )

3S Systems opère dans deux segments : les solutions de soins de santé, qui servent les soins dentaires, la médecine régénérative, les dispositifs médicaux et les services de santé personnalisés, et les solutions industrielles, qui servent les transports, l’aérospatiale, la défense et la fabrication générale.

En 2021, elle a acquis Allevi pour élargir son initiative de médecine régénérative en accélérant la croissance dans les laboratoires de recherche pharmaceutique. Comme indiqué sur son site Web, la bioimpression 3D a fait progresser le développement de modèles précliniques sans animal et de modélisation de maladies 3D grâce à des conceptions de bioimpression itératives et à sa capacité à reproduire la biologie humaine in vivo.

La même année, elle a également acquis Additive Works GmbH, une société logicielle allemande, pour étendre ses capacités de simulation pour l’optimisation rapide des processus d’impression 3D à grande échelle.

Les actions de la société sont actuellement cotées à 1,94 $, en baisse de 22,26 % depuis le début de l’année. À ce niveau de prix, les actions de 3D Systems ont connu un déclin important par rapport à leur sommet d’environ 48,60 $, atteint au début de 2021, comme de nombreux autres titres du marché.

3D Systems a atteint une capitalisation boursière de 345,6 millions de dollars, et son BPA (TTM) est de -1,93, et un P/E (TTM) est de -1,32.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, elles montrent que, au premier trimestre 2025, 3D Systems a enregistré un chiffre d’affaires de 94,5 millions de dollars, soit une baisse de 8 % par rapport au même trimestre de l’année précédente, en raison de la baisse des ventes de matériaux.

Le chiffre d’affaires des solutions de soins de santé s’est élevé à 41,3 millions de dollars, tandis que 53,2 millions de dollars appartenaient aux solutions industrielles.

Ceci, selon le PDG Dr Jeffrey Graves, reflète « une poursuite de pressions à la baisse sur le chiffre d’affaires » car de nombreux clients reportent leurs investissements en capital pour obtenir une plus grande clarté sur les impacts potentiels des tarifs, en plus de l’incertitude géopolitique et macroéconomique en cours.

La marge brute pour la période était de 34,6 %, et la marge brute non GAAP était de 35 % en raison de volumes plus faibles et de prix défavorables. La perte nette, quant à elle, était de 37 millions de dollars. À la fin mars 2025, ses liquidités et équivalents de liquidités étaient de 135 millions de dollars, et sa dette totale, nette des coûts de financement différés, était de 212,3 millions de dollars.

Cependant, l’entreprise travaille sur une initiative d’économie de 50 millions de dollars, qui sera achevée d’ici la mi-2026. Elle devrait également atteindre le point d’équilibre sur une base EBITDA d’ici la fin de l’année.

De plus, sa feuille de route s’est renforcée à la suite de la vente du portefeuille Geomagic, ce qui a entraîné une augmentation de plus de 100 millions de dollars post-imposition des réserves de liquidités à 250 millions de dollars au 30 avril 2025.

Les aspects positifs de 3D Systems en tant qu’option d’investissement sont que l’entreprise connaît une croissance constante sur les marchés de l’aérospatiale et de la défense, et que ses nouveaux systèmes matériels ont enregistré une croissance des ventes. De plus, les infrastructures IA sont une autre zone sur laquelle 3D Systems se concentre pour stimuler ses progrès.

« Nos investissements délibérés dans la R&D au cours des dernières années ont donné lieu à une vague importante de nouvelles technologies introduites dans l’ensemble de notre gamme de produits, y compris nos plateformes polymère et métal. »

Il a noté que même si cela affecte négativement la rentabilité à court terme, un fort intérêt des clients signifie que « nos nouveaux systèmes sont de plus en plus préférés pour la fabrication de composants de haute qualité / haute fiabilité, pour des applications à l’intérieur du corps humain et dans des systèmes industriels avancés ». De nombreux nouveaux produits entrent maintenant dans la phase critique de commercialisation.

Cette année, jusqu’à présent, 3D Systems a collaboré avec les principaux fabricants de véhicules commerciaux Daimler Truck pour faciliter l’impression de pièces de rechange à distance. L’impression à la demande permet de surmonter les goulets d’étranglement de la chaîne d’approvisionnement et de réduire le temps de livraison de 75 %.

Ses résines d’impression 3D validées cliniquement NextDent sont rapportées pour répondre désormais à plus de 30 applications, notamment celles axées sur la réparation des dents. L’entreprise a également annoncé le premier implant facial imprimé en 3D à sa solution de fabrication additive de point de soin en partenariat avec l’Hôpital universitaire de Bâle.

Lors d’un récent événement, 3D Systems a présenté de nombreux nouveaux produits, tels que QuickCast® Diamond™ et PSLA 270, ainsi qu’un nouveau module pour les imprimantes à extrusion de pellets EXT Titan de grande taille. Elle a également présenté une imprimante 3D à haute productivité, une imprimante de précision Figure 4® 135, et un matériau Figure 4 Tough 75C FR Black pour réduire le coût de la fabrication à faible volume et à grande variété.

Dernières nouvelles sur 3D Systems

Conclusion

Le système de santé a subi une transformation massive au cours des dernières décennies. Ce voyage des concoctions végétales aux nanomédicaments sophistiqués montre que l’évolution de la délivrance de médicaments a été marquée par l’innovation technologique.

Maintenant, le dernier développement par les scientifiques de Caltech est un pas de géant en avant dans le monde de la révolution médicale. En utilisant les mêmes ondes sonores qui sont actuellement utilisées pour regarder à l’intérieur du corps à des fins d’imagerie, la plate-forme DISP est capable de pénétrer beaucoup plus profondément dans les tissus. Un mélange personnalisé de solution (bioencre) et d’un transducteur à ultrasons focalisé permet une impression précise.

À mesure que la technologie progresse vers des modèles animaliers plus grands et des essais humains, la DISP, avec sa biocompatibilité, sa précision et son adaptabilité, promet de redéfinir la délivrance de médicaments et la guérison interne.

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Études référencées :

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery, and 3D printing. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197