Les découvertes de l'équipe publiées aujourd'hui (1er mars) dans Matériaux bioactifs. L'Office américain des brevets et des marques a accordé à l'équipe un brevet en février pour la technologie de bio-impression qu'elle a développée et utilisée dans cette étude.

« La chirurgie reconstructive pour corriger un traumatisme au visage ou à la tête dû à une blessure ou à une maladie est généralement imparfaite, entraînant des cicatrices ou une perte de cheveux permanente », a déclaré Ibrahim T. Ozbolat, professeur d'ingénierie et de mécanique, d'ingénierie biomédicale et de neurochirurgie à Penn State. , qui a dirigé la collaboration internationale qui a mené les travaux. « Avec ce travail, nous démontrons une peau bio-imprimée de pleine épaisseur avec le potentiel de faire pousser des poils chez le rat. C'est un pas de plus vers la possibilité d'obtenir une reconstruction de la tête et du visage d'apparence plus naturelle et plus esthétique chez l'homme. »

Alors que les scientifiques ont déjà bio-imprimé en 3D de fines couches de peau, Ozbolat et son équipe sont les premiers à imprimer de manière peropératoire un système complet et vivant de plusieurs couches de peau, y compris la couche la plus inférieure ou l'hypoderme. La méthode peropératoire fait référence à la capacité d'imprimer le tissu pendant l'intervention chirurgicale, ce qui signifie que l'approche peut être utilisée pour réparer la peau endommagée de manière plus immédiate et plus transparente, ont indiqué les chercheurs. La couche supérieure – l'épiderme qui sert de peau visible – se forme seule avec le support de la couche intermédiaire, elle ne nécessite donc pas d'impression. L'hypoderme, constitué de tissu conjonctif et de graisse, assure la structure et le soutien du crâne.

« L'hypoderme est directement impliqué dans le processus par lequel les cellules souches grossissent », a déclaré Ozbolat. « Ce processus est essentiel à plusieurs processus vitaux, notamment la cicatrisation des plaies. Il joue également un rôle dans le cycle des follicules pileux, en particulier en facilitant la croissance des cheveux. »

Les chercheurs ont commencé avec du tissu adipeux humain, ou graisse, obtenu auprès de patients subissant une intervention chirurgicale au Penn State Health Milton S. Hershey Medical Center. Le collaborateur Dino J. Ravnic, professeur agrégé de chirurgie à la Division de chirurgie plastique du Penn State College of Medicine, a dirigé son laboratoire dans l'obtention de la graisse pour l'extraction de la matrice extracellulaire – le réseau de molécules et de protéines qui fournit structure et stabilité à le tissu – pour fabriquer un composant du bioink.

L'équipe de Ravnic a également obtenu des cellules souches, qui ont le potentiel de mûrir en plusieurs types de cellules différents si elles sont fournies dans un environnement approprié, à partir du tissu adipeux pour produire un autre composant bioink. Chaque composant a été chargé dans l’un des trois compartiments de la bio-imprimante. Le troisième compartiment était rempli d'une solution coagulante qui aide les autres composants à se lier correctement au site lésé.

« Les trois compartiments nous permettent de co-imprimer le mélange matrice-fibrinogène avec les cellules souches avec un contrôle précis », a déclaré Ozbolat. « Nous avons imprimé directement sur le site de la blessure dans le but de former l'hypoderme, ce qui facilite la cicatrisation des plaies, la génération de follicules pileux, la régulation de la température et bien plus encore. »

Ils ont atteint à la fois les couches de l’hypoderme et du derme, l’épiderme se formant tout seul en deux semaines.

« Nous avons mené trois séries d'études chez le rat pour mieux comprendre le rôle de la matrice adipeuse, et nous avons découvert que la co-administration de la matrice et des cellules souches était cruciale pour la formation hypodermique », a déclaré Ozbolat. « Cela ne fonctionne pas efficacement uniquement avec les cellules ou uniquement avec la matrice – il faut que ce soit en même temps. »

Ils ont également découvert que l’hypoderme contenait des excroissances, stade initial de la formation précoce des follicules pileux. Selon les chercheurs, si les cellules adipeuses ne contribuent pas directement à la structure cellulaire des follicules pileux, elles participent à leur régulation et à leur entretien.

« Dans nos expériences, les cellules adipeuses peuvent avoir modifié la matrice extracellulaire pour mieux soutenir la formation de croissance », a déclaré Ozbolat. « Nous travaillons pour faire progresser cela, pour faire mûrir les follicules pileux avec une densité, une directionnalité et une croissance contrôlées. »

Selon Ozbolat, la capacité de faire pousser avec précision les cheveux sur les sites traumatisés blessés ou malades peut limiter l’apparition d’une chirurgie reconstructive naturelle. Il a déclaré que ce travail offre une « voie à suivre pleine d'espoir », en particulier en combinaison avec d'autres projets de son laboratoire impliquant l'impression d'os et la recherche de la manière de faire correspondre la pigmentation sur une gamme de tons de peau.

« Nous pensons que cela pourrait être appliqué à la dermatologie, aux greffes de cheveux et aux chirurgies plastiques et reconstructives – cela pourrait aboutir à un résultat bien plus esthétique », a déclaré Ozbolat.

« Grâce à la capacité de bio-impression entièrement automatisée et aux matériaux compatibles de qualité clinique, cette technologie peut avoir un impact significatif sur la traduction clinique d'une peau reconstruite avec précision. »

Ravnic et Ozbolat sont également affiliés aux Huck Institutes of the Life Sciences et au Penn State Cancer Institute. Ozbolat a également des affiliations avec le Penn State Materials Research Institute et le département d'oncologie médicale de l'université Cukurova en Turquie, où il est actuellement en congé sabbatique. Parmi les autres contributeurs figurent Yogendra Pratap Singh, chercheur postdoctoral, et Mecit Altan Alioglu, étudiant diplômé, tous deux au Département des sciences de l'ingénierie et de la mécanique de Penn State ; Youngnam Kang et Miji Yeo, tous deux chercheurs, et Irem Deniz Derman, étudiant diplômé des Huck Institutes of the Life Sciences ; Yang Wu, Institut de technologie de Harbin en Chine ; et Jasson Makkar et Ryan R. Driskell, Collège de médecine vétérinaire de l'Université de l'État de Washington. Kang, Yeo, Singh, Alioglu et Derman sont également affiliés au Département des sciences de l'ingénierie et de la mécanique de Penn State.

Les Instituts nationaux de la santé et le Conseil de recherche scientifique et technologique de Turquie ont soutenu ce travail.