FR3087702A1 - Dispositif de bio-impression isole - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un système de bio-impression comprenant : a) un module d'impression (1) contenant au moins une tête d'impression d'objets d'intérêt biologique transférables et au moins une cible, b) une source d'alimentation (2) de ladite tête d'impression d'objets d'intérêt biologique, c) un moyen d'activation (5) du transfert desdits objets d'intérêt biologique vers la cible, d) un moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible, e) une enceinte fermée stérilisable (10), caractérisé en ce que - ledit module d'impression (1) est placé dans ladite enceinte fermée stérilisable (10), et - ledit moyen d'activation (5) est situé à l'extérieur de ladite enceinte fermée stérilisable (10), - ladite enceinte fermée stérilisable (10) présentant une zone d'interaction étanche (20) avec ledit moyen d'activation (5).

Description

Dispositif de bio-impression isolé Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la médecine régénératrice permettant de produire artificiellement des organes et des tissus biologiques, désigné par « ingénierie tissulaire».
Le besoin en transplantation de tissus et d'organes a considérablement augmenté dans le monde entier au cours de la dernière décennie.
Les principales raisons sont l'augmentation de l'espérance de vie, l'incidence du dysfonctionnement d'organes vitaux et des maladies dégénératives, et des besoins pour pallier aux conséquences de l'exérèse de tumeurs.
En raison de cette pénurie d'organes, rien que dans l'Union Européenne, plus de 63 000 patients attendent une transplantation d'organes (rein, foie, coeur, cornée...), et 6 nouveaux patients sont ajoutés toutes les heures aux listes d'attente.
À l'opposé, seulement environ 33 000 donneurs étaient identifiés en 2016.
Alors que certains pays prennent des mesures pour augmenter le nombre de dons d'organes, de nombreux patients en attente d'une greffe n'en recevront pas à temps.
Les cliniciens ont donc besoin de substituts de tissus et d'organes qui sont parfaitement caractérisés et sécurisés, spécifiques à un patient donné et potentiellement «disponibles sur étagère».
Dans cette perspective, les scientifiques et industriels du domaine de l'ingénierie tissulaire appliquent les principes de la biologie et de l'ingénierie pour développer des substituts fonctionnels qui restaurent, maintiennent ou améliorent la fonction tissulaire.
D'un point de vue réglementaire, les produits d'ingénierie tissulaire appartiennent à la catégorie des Médicaments de Thérapie 2 Innovante (MTI).
Ils sont distincts des produits pharmaceutiques classiques et présentent donc des défis uniques.
Ils nécessitent une assurance qualité et une logistique complexes, et doivent être transplantés chez des patients par des chirurgiens qualifiés, tout 5 en répondant à des exigences réglementaires importantes telles que la réglementation des Médicaments de Thérapies Innovantes (MTI) ainsi que les Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL) et de Fabrication (BPF).
10 Les approches d'ingénierie tissulaire reposent traditionnellement sur l'utilisation de matériaux biocompatibles, façonnés pour former un échafaudage 3D (« scaffold ») sur lequel sont ensemencées des cellules vivantes avant leur maturation dans un bioréacteur.
Alors, à mesure que les cellules se multiplient, 15 elles peuplent l'échafaudage et synthétisent une matrice extracellulaire pour créer un tissu 3D.
En dépit d'investissements substantiels réalisés pour répondre aux attentes cliniques et commerciales, et alors que les 20 réalisations scientifiques au stade de recherche préclinique ont été impressionnantes, ces approches traditionnelles d'ingénierie tissulaire peinent à la fois à fournir des résultats cliniques et à devenir rentable.
En effet, un nombre très réduit de produits d'ingénierie tissulaire ont obtenu à ce jour leur autorisation de 25 mise sur le marché, et même dans ces cas, le bénéfice thérapeutique n'a pas répondu aux attentes et la commercialisation n'était pas rentable.
Ceci est illustré par le fait que trois de ces MTI ont été retirés du marché, malgré une sécurité et une efficacité suffisantes : Provenge® (2015), Chondrocelect® (2016) et MACI® (en 30 suspension).
3 Pour répondre aux attentes cliniques et commerciales, la fabrication de produits d'ingénierie tissulaire fait donc l'objet de plusieurs défis qui doivent être résolus.
Ceux-ci concernent : - l'industrialisation et l'automatisation des procédés de 5 fabrication afin d'accroître leur robustesse sachant que la fabrication des MTI est encore principalement manuelle, non supervisée et avec de multiples étapes ouvertes, - la conformité avec les exigences réglementaires, - l'amélioration de la rentabilité et du rapport coût- 10 efficacité en réduisant par exemple les coûts élevés de fourniture des consommables, d'installation et de possession des infrastructures (par exemple des salles blanches) et des équipements, et de main-d'oeuvre spécialisée nécessaires à la réalisation des différentes opérations de préparation, fabrication 15 et contrôle qualité de petits lots individuels en faibles volumes, - la capacité à reproduire la complexité des tissus humains natifs (c'est-à-dire la distribution spatio-temporelle des cellules et des stimuli biochimiques, mécaniques et physiques qui contrôlent le micro-environnement cellulaire et gouvernent le 20 comportement cellulaire et la fonction tissulaire), - la nécessité de favoriser une vascularisation rapide après implantation afin de maintenir la viabilité cellulaire pendant la croissance des tissus, et - dans certains cas, la capacité de personnalisation des 25 produits d'ingénierie tissulaire afin de proposer des traitements spécifiques à un patient (par exemple en intégrant des cellules autologues et/ou des données anatomiques d'un patient).
Pour faire face aux limites des approches traditionnelles 30 d'ingénierie tissulaire, différentes approches de bio-impression ont été proposées.
Selon les ouvrages, ces procédés d'impression sont appelés bio-impression, microimpression d'éléments 4 biologiques ou bioprinting en anglais.
Celles-ci utilisent les principes de l'impression 3D, et procèdent par l'assemblage couchepar-couche des constituants des tissus biologiques (telles que les cellules et la matrice extracellulaire) selon des organisations 5 prédéfinies par conception numérique.
En dépit des analogies de principe, il convient de préciser que la bio-impression diffère de la fabrication de prothèses par impression 3D par la nature de la matière déposée (vivante et non pas inerte) ainsi que par les technologies employées.
10 L'utilisation principale de la bio-impression concerne la préparation de tissus vivants synthétiques pour la recherche expérimentale, en remplacement de tissus prélevés sur des êtres vivants, afin d'éviter les problèmes réglementaires et éthiques.
A 15 plus long terme, la bio-impression permettra la réalisation d'organes pour la transplantation sans risque de rejets, par exemple d'épiderme, de tissus osseux, de parties de rein, de foie ainsi que sur d'autres organes vitaux, de valves cardiaques ou de structures creuses telles que des structures vasculaires.
20 Le marché mondial de la bio-impression 3D a été estimé à 450 millions d'euros en 2014 et devrait augmenter de manière significative au cours de la prochaine décennie à un taux de croissance annuel d'environ 16,7%, pour atteindre 8,2 milliards d'euros d'ici 2025 1.
Selon les analystes 2, le segment médical du 25 marché de la bio-impression devrait dominer en 2022 avec plus de 30,0% grâce à l'introduction de bio-imprimantes compatibles avec la fabrication de MTI.
Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique le brevet 30 international US9505173 décrivant un dispositif d'impression tridimensionnel à usage unique comprenant: - un ensemble d'imprimante stérilisable comprenant 5 - au moins une tête d'impression, - une plate-forme d'impression, et - un mécanisme d'entraînement adapté pour réaliser un déplacement relatif entre la au moins une tête d'impression 5 et la plate-forme d'impression selon deux ou trois degrés de liberté; - un boîtier d'imprimante entourant l'ensemble d'imprimante de manière stérile, au moins un connecteur aseptique connecté de manière fluidique à l'une correspondante 10 de la au moins une tête d'impression.
On connaît aussi dans l'état de la technique la demande de brevet internationale W02017040675 décrivant une chambre propre pour imprimantes et bio-imprimantes 3D, pour créer une pression 15 positive dans l'enceinte dans laquelle est installé l'équipement de bio-impression.
L'air non filtré est aspiré depuis l'extérieur jusque dans la chambre à travers un filtre à haute efficacité, tel un filtre HEPA, en utilisant un ventilateur ou une soufflante électrique, ce qui filtre au moins environ 99 % des particules et 20 contaminants.
L'air filtré est ensuite propulsé dans une zone d'impression 3D à l'intérieur de la chambre et à l'extérieur à travers des évents dans la structure de la chambre.
Cette solution de l'art antérieur procure un environnement propre permettant une bio-impression 3D de modèles et d'organes de tissu humain ainsi 25 que la culture de cellules 3D sans nécessité d'installation de salle à très haut niveau de propreté.
Inconvénient de l'art antérieur 30 La solution présentée par la demande internationale W02017040675 présente l'inconvénient d'impliquer le traitement 6 d'un grand volume d'air nécessaire pour contenir l'équipement de bio-impression dans un régime aseptique, ce qui implique des débits d'air importants pour créer une surpression, avec un risque élevé de turbulences dans la zone de bio-impression, particulièrement 5 rédhibitoire pour la reproductibilité des impressions quelle que soit la technique de bio-impression utilisée.
De plus, un tel débit nécessite un ventilateur puissant, source de vibrations et de nuisances sonores, et un filtre élaboré pour permettre le passage d'un flux d'air important tout en 10 retenant toutes les particules.
Par ailleurs, la présence dans la chambre stérile d'équipements mécaniques conduit à la production de microparticules qui sont véhiculées par le flux d'air dans l'espace de bioimpression, ce qui va à l'encontre de l'objectif visé.
Ainsi, dans 15 les deux exemples cités dans l'art antérieur, on peut souligner que les moyens d'impression sont directement intégrés à la zone stérilisable.
Or, ces éléments font partie des principaux contributeurs à la pollution particulaire dans les espaces confinés.
20 Enfin, lors du changement de séquence de bio-impression, le risque de pollution ou de contamination croisée entre échantillons est important, car les différents échantillons se succèdent dans la même chambre et sont interchangés en dehors des phases de stérilisation.
25 Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un système de bio30 impression comprenant : a) un module d'impression contenant au moins une tête d'impression d'objets d'intérêt biologique transférables et au 7 moins une cible (6), b) une source d'alimentation de ladite tête d'impression d'objets d'intérêt biologique, c) un moyen d'activation du transfert desdits objets 5 d'intérêt biologique vers la cible (6), d) un moyen de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible (6), e) une enceinte fermée stérilisable, caractérisé en ce que 10 - ledit module d'impression est placé dans ladite enceinte fermée stérilisable, et - ledit moyen d'activation est situé à l'extérieur de ladite enceinte fermée stérilisable, - ladite enceinte fermée stérilisable présentant une zone 15 d'interaction étanche avec ledit moyen d'activation.
L'invention concerne également des variantes présentant une ou plusieurs des caractéristiques additionnelles suivantes : - ladite enceinte fermée stérilisable constitue l'enveloppe 20 dudit module d'impression, - ladite enceinte fermée stérilisable comprend en outre au moins une source d'alimentation en objets d'intérêt biologique, - ladite enceinte fermée stérilisable comprend en outre un moyen de déplacement, 25 - ledit moyen de déplacement est constitué par un bras robotisé, - ledit moyen de déplacement est constitué par un support de cible (6) magnétique interagissant avec des bobines statoriques extérieures à ladite enceinte fermée, 30 - ledit moyen de déplacement est constitué par une platine de translation motorisée, - ledit moyen de déplacement est constitué par une vis sans 8 fin ou des systèmes de courroies, - ledit moyen d'activation est constitué par une source laser associée à une optique de mise en forme du faisceau, des moyens de déviation du faisceau et une optique de focalisation, ladite 5 interface étant constituée par une fenêtre transparente à la longueur d'onde du laser, - ledit moyen d'activation est constitué par une source lumineuse apte à interagir avec ladite tête d'impression, ladite interface étant constituée par une fenêtre transparente à la 10 longueur d'onde de la source lumineuse, - ledit moyen d'activation est constitué par les moyens d'alimentation des seringues constituant ladite tête d'impression. - ladite cible (6) est constituée par un volume contenant une résine polymère et ladite tête d'impression est constitué par 15 des aiguilles d'injection des objets transférables d'intérêt biologique, - il comporte en outre un bioréacteur pour la maturation d'une cible (6) totalement ou partiellement imprimée, ledit bioréacteur étant positionné dans ladite enceinte fermée 20 stérilisable, ledit bioréacteur comprenant une alimentation en atmosphère contrôlée (oxygène dissous et CO2), des moyens de remplacement du milieu de culture et des moyens de régulation des conditions physico-chimiques (température, hygrométrie, pH,...), - il comporte en outre un bioréacteur pour la maturation 25 d'une cible (6) totalement ou partiellement imprimée, ledit bioréacteur étant connecté par un moyen étanche à ladite enceinte fermée stérilisable, ledit bioréacteur comprenant une alimentation en atmosphère contrôlée (oxygène dissous et CO2), des moyens de remplacement du milieu de culture et des moyens de régulation des 30 conditions physico-chimiques (température, hygrométrie, pH,...), - il comporte en outre des moyens de caractérisation physico-chimique de l'évolution de la cible (6) en cours d'impression ou 9 une fois imprimée.
L'invention concerne aussi une cassette pour un système de bio-impression susvisé caractérisé en ce qu'elle est constituée 5 par une enceinte fermée stérilisable constituant l'enveloppe d'un module d'impression.
Avantageusement, la cassette présente au moins un moyen d'identification communiquant apte à transmettre des informations relatives à la tête d'impression et/ou à la cible (6) audit moyen 10 d'activation.
L'invention concerne aussi un procédé de bio-impression pour la fabrication d'un matériau biologique structuré, à partir de matériaux dont une partie au moins est constituée de particules biologiques (cellules et dérivés cellulaires) consistant à 15 commander le déplacement d'au moins une cible (6) par l'intermédiaire d'un robot dans trois dimensions en regard d'au moins une tête d'impression placés dans une enceinte fermée et stérile, ladite tête d'impression étant alimentée et commandée depuis l'extérieur de ladite enceinte afin de garantir la sécurité 20 du tissu fabriqué au regard des exigences réglementaires du domaine clinique.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention 25 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue schématique d'une bioimprimante 30 - les figures 2 et 3 représentent des vues selon deux plans de coupe perpendiculaire d'un exemple de réalisation de l'invention - la figure 4 représente une vue schématique d'une variante 10 de réalisation sous la forme d'une cassette rigide - la figure 5 représente une vue schématique d'une variante de réalisation sous la forme d'une cassette souple 5 Description schématique de la bioimprimante La figure 1 représente une vue de l'architecture matérielle d'une bioimprimante.
Elle est composée de plusieurs organes essentiels : 10 - Une tête d'impression (1) dont la configuration dépend de la technologie mise en oeuvre, comprenant une zone de transfert de la bioencre constituée d'objets d'intérêt biologique et une cible (6). - Une ou plusieurs sources (2) d'alimentation de la 15 tête d'impression (1) en bio-encore constituée d'objets d'intérêt biologique. - Un ensemble mécatronique (3) assurant le déplacement relatif de la zone de transfert par rapport à la cible (6). - Eventuellement, une zone de maturation (4). 20 - Un moyen d'activation de l'impression (5) dont la configuration dépend de la technologie mise en oeuvre.
L'invention vise à optimiser la zone stérile.
Pour cela : a) la tête d'impression (1) est impérativement placée dans une enceinte (10) stérilisable, 25 b) le moyen d'impression (5) est impérativement placé à l'extérieur de l'enceinte (10) stérilisable, c) une zone d'interaction étanche (20) permet l'activation de la tête d'impression (1) par le moyen d'impression (5).
Les autres composants de la bioimprimante peuvent être placés 30 dans l'enceinte stérilisable (10) ou en dehors de cette enceinte (10).
11 En particulier, la source d'alimentation (2) peut être associée à la tête d'impression (1) dans l'enceinte stérilisable (10), qui forme alors une cassette pouvant être introduite dans une bioimprimante, puis retirée pour la maturation du tissu 5 imprimé.
L'ensemble mécatronique (3) de déplacement de la cible (6) par rapport à la source peut également être associé à la tête d'impression (1) à l'intérieure de l'enceinte (10) stérilisable, avec ou sans la source d'alimentation (2).
10 La chambre de maturation (4) peut également être associée à la tête d'impression (1) à l'intérieur de l'enceinte (10), avec ou sans la source d'alimentation (2) et/ou l'ensemble mécatronique (3) de déplacement.
15 Description d'un exemple de réalisation La bioimprimante est constituée par un châssis dont la partie inférieure (11), non stérilisable, contient le moyen d'activation (5), par exemple la tête optique, le laser et les systèmes 20 d'imagerie pour une imprimante laser.
Ce bâti est surmonté par une enceinte stérilisable (10) constituée par une chambre en pression positive alimentée par une soufflerie (15) par l'intermédiaire d'une cartouche filtrante (16).
Un bras robotisé (3) placé dans cette chambre stérilisable (10) 25 assure le déplacement d'une cible (6) par rapport à une tête d'impression (1).
Une fenêtre étanche (20) permet la transmission du faisceau laser et des faisceaux d'imagerie entre l'enceinte stérilisable (10) et le moyen d'impression (5) placé en zone non stérilisable.
30 Un tel système permet de répondre aux exigences relatives aux bonnes pratiques de fabrication (BPF, en anglais Good Manufacturing Practices ou GMP) établies par la Commission 12 européenne dans le cadre du développement des "démarches qualité" et qui s'attachent à limiter deux catégories de risques : -les risques de contamination croisée des produits (par un autre produit, ou un contaminant interne et externe) ; 5 -les risques de confusion notamment au niveau des étiquetages et de l'identification des composants.
Elles insistent sur les pratiques d'hygiène et d'organisation qui doivent être mises en place à tous les niveaux.
10 Variante mettant en oeuvre une « boîte à gant » ou une trappe étanche L'enceinte stérilisable (10) présente selon une variante non illustrée un mécanisme de commande d'un dispositif étanche 15 permettant d'effectuer ces tâches dans une atmosphère aseptique ou exempte de poussière, à l'intérieur de cette enceinte, pour la manipulation manuelle d'objets ou de produits.
La paroi de l'enceinte (10) présente par exemple une bride dont la périphérie extérieure est équipée d'oreilles destinées à coopérer avec une 20 empreinte de la bride de la boîte à gant.
La bride de l'enceinte (10) est introduite dans la bride de la boîte à gant.
L'enceinte stérilisable (10) peut aussi comporter une trappe montée dans une bride pour la communication avec une autre enceinte 25 stérilisable, par exemple pour la maturation après impression.
Variante mettant en oeuvre une cassette Selon une variante de la présente invention, le système d'isolation de la bio-impression est basé sur une cassette stérilisable contenant la cible (6) et la tête d'impression.
Elle 30 est constituée d'interfaces stériles / étanches (porte DPTE, betabag, fenêtre optique, injecteur,...) permettant de la connecter à au moins une source d'alimentation en objets d'intérêt biologique 13 transférables pour l'impression, à un ou plusieurs moyens d'activation, à un moyen de couplage mécanique pour le déplacement de la cible (6) par rapport à la tête et à des éléments nécessaires pour la maturation (milieux de culture, CO2, 02, ...).
La cassette 5 peut servir à la maturation.
Elle est transportable entre le système d'impression et un incubateur.
La source d'alimentation en objets d'intérêt biologique transférables pour le procédé d'impression peut être connectée à un automate de culture cellulaire soit constituée par un réservoir 10 dédié.
Cette solution permet la biofabrication selon un process conforme aux bonnes pratiques de fabrication (BPF, en anglais Good Manufacturing Practices ou GMP) dans une enceinte confinée permettant d'éviter les risques de pollution biologique.
15 La cassette est couplée à des moyens de caractérisation du tissu ou de l'organe (caractérisation en ligne du tissu en cours de fabrication ou après sa fabrication (imagerie, spectroscopie Raman, OCT, analyse physico-chimique).
20 La cassette peut prévoir une seule fenêtre, plusieurs fenêtres, des fenêtres des deux côtés (faces avant et arrière) etc.
Le système comporte optionnellement pour la phase de maturation (bioréacteur) des moyens de contrôle et de régulation 25 des éléments suivant - pH (plage de détection de pH 0-14 et précision 0,01 par régulation NaOH/CO2), - Température (contrôlée avec Peltier, double enveloppe, cryostat), 30 - 02 dissous (par mesure de débit de gaz par exemple), - hygrométrie, - moyens permettant de prélever ou changer le milieu de 14 culture, - moyens d'agitation et de perfusion, - etc...
5 La cassette comporte optionnellement un identifiant du tissu à imprimer et des paramètres d'impression associés (séquence, sources, modèle CAO...) en lien avec des bases de données (cassette connectée).
L'identifiant peut être de type graphique (par exemple code barre ou code matriciel QRcode) ou numérique, par exemple sous 10 forme d'une séquence numérique enregistrée dans une mémoire d'une étiquette radiofréquence de type RFT.
Une telle solution permet de sécuriser le processus d'impression.
La cassette est optionnellement équipée d'une carte interface réseau, type port Ethernet, pour le contrôle du procédé de fabrication et 15 d'acquisition de données, pour la gestion des alarmes, pour la sauvegarde de l'expérience sur disque dur local, pour informer l'utilisateur en temps réal par SMS, e-mail...
Applications d'autogreffe 20 Une telle cassette est particulièrement adaptée à la fabrication d'un ou plusieurs tissus ou organes.
Un tissu ou un organe peuvent être basés sur l'utilisation de plusieurs cassettes pour des raisons de maturation différenciée, 25 de compatibilité du module d'impression avec un seul type cellulaire,_ Un autre intérêt de la cassette réside dans le fait qu'elle peut être introduite dans le bloc opératoire après une ultime étape de stérilisation et ouverte au plus près du patient.
30 Le substrat pourrait être encapsulé dans un module retirable de la cassette afin d'être placé dans un bioréacteur dédié.
15 La cassette peut être pour tout ou partie à usage unique.
La cassette peut être réutilisable après stérilisation interne et externe.
5 L'enveloppe de la cassette peut être rigide ou souple (éthylène vinyle acétate, PVC, thermoplastiques de type PU, Polyéthylène basse densité, de type matériaux de transfusion, silicone, métalliques (inox 304L, 316L) ou plastique (polycarbonate 10 par exemple).
Cassette rigide La figure 4 représente un exemple de réalisation de 15 l'invention sous la forme d'une cassette rigide.
Elle permet d'utiliser un équipement principal constitué par les parties complexes et coûteuse, à savoir le moyen d'activation avec une ou plusieurs têtes d'impression par exemple laser, un moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible 20 (6) et l'ensemble des moyens informatiques et optiques.
La cassette est constituée par une enceinte fermée stérilisable (10) configurée pour permettre son positionnement sur cet équipement pour une opération spécifique.
La cassette renferme dans l'enceinte fermée et stérilisable 25 (10) les moyens spécifiques à savoir : - le module d'impression (100) constitué par la cible (6) (110) sur laquelle sont déposés les objets d'intérêt biologique constituant les tissus à fabriquer - des tiges de liaison (131, 132, 133) assurant le couplage 30 avec les moyens de déplacement relatifs et traversant l'enceinte (10) par des joints étanches (134, 135, 136).
Ces tiges de liaison (131, 132, 133) sont destinées à transmettre les mouvements des 16 organes de déplacement relatifs de la cible (6) par rapport à la source selon les trois axes X, Y, Z. - le module d'impression (1) qui est constitué par un support d'écoulement d'un fluide portant les objets d'intérêt biologique 5 transférables avec un conduit d'alimentation (141) et un conduit de sortie (142), raccordés à des réservoirs (143, 144) extérieurs à l'enceinte (10).
Ledit moyen d'activation (5) est situé à l'extérieur de ladite enceinte fermée stérilisable (10) et interagit avec le 10 module d'impression (1) par l'intermédiaire d'une fenêtre (140).
L'accouplement entre la cassette et l'équipement fixe est assuré par des aimants entourant la fenêtre (140).
Cette cassette permet de préparer un tissu en la positionnant sur l'équipement principal, puis d'assurer la maturation des tissus 15 bioimprimés dans un autre site, par exemple dans une enceinte de maturation.
Cassette souple 20 La figure 5 représente un exemple de réalisation de l'invention sous la forme d'une cassette souple.
Elle diffère de la cassette rigide par le fait que l'enceinte stérilisable présente des parois (200) souples reliant une face supérieure (210) rigide et une face inférieure (220) rigide, présentant la fenêtre (140).
25 La face supérieure présente deux griffes (211, 212) situées à l'intérieur de l'enceinte stérilisable, pour recevoir la cible (6) (8) sur laquelle se déposent les éléments biologiques transférés depuis la bioencre constituée d'objets d'intérêt biologique transférables (148).
30 17 Alternatives de réalisation Quelle que soit la technologie de bio-impression employée, une bio-imprimante est traditionnellement composée de plusieurs 5 organes essentiels : - une ou plusieurs têtes d'impression comprenant une zone de transfert de la bio-encre constituée d'objets d'intérêt biologique, - une ou plusieurs sources (2) d'alimentation de la tête d'impression (1) en bio-encre constituée d'objets d'intérêt 10 biologique, - une cible (6), - un ensemble mécatronique (3) assurant le déplacement relatif de la zone de transfert par rapport à la cible (6), - un moyen d'activation (5). 15 - éventuellement, une zone de maturation (4).
Selon une première variante, l'encre biologique est stockée dans un réservoir et passe à travers des buses ou des capillaires pour former des gouttelettes qui sont transférées sur une cible 20 (6).
Cette première variante d'impression dite à buse regroupe la bioextrusion, l'impression jet d'encre ou l'impression par microvanne.
Pour pouvoir notamment atteindre un niveau de résolution plus élevé et accroître la viabilité des cellules 25 imprimées, un procédé d'impression d'éléments biologiques sans buse a été développé.
Ce procédé d'impression appelé bio-impression par laser, est également connu sous le nom de a Laser-Assisted Bioprinting » (LAS) en anglais.
Concernant la bioextrusion, différents moyens d'activation 30 de l'impression ont été mis en oeuvre : une vis sans fin, un piston ou encore un système pneumatique.
Elle permet de travailler avec une densité cellulaire importante de l'ordre de 100 millions de 18 cellules par millilitre et une résolution de l'ordre du millimètre.
La bioextrusion consiste à pousser mécaniquement des éléments biologiques placés dans une micro-seringue à travers une buse ou une aiguille de quelques centaines de micromètres de diamètre.
5 L'avantage de cette technologie repose sur son faible coût et sa simplicité de mise en oeuvre.
Par contre, elle souffre de limites associées à une résolution grossière et une mortalité cellulaire non négligeable liée au cisaillement imposé aux cellules lors de leur passage à travers la buse.
10 Concernant la bio-impression par jet d'encre, elle consiste à projeter des micro-gouttelettes d'un liquide contenant des cellules ou un biomatériau sur un substrat.
La projection est provoquée par un procédé thermique ou piézoélectrique.
L'impression 15 jet d'encre thermique fonctionne via l'activation transitoire d'une résistance électrique (à fort effet thermique) qui produit une bulle de vapeur qui propulse une gouttelette au travers d'un orifice de 30 à 200 pm de diamètre.
Les imprimantes jet d'encre piézo-électriques utilisent une impulsion électrique qui génère 20 une modification de forme d'un cristal piézo-électrique qui contracte le réservoir d'encre.
La détente du cristal entraîne l'éjection de la goutte.
Cette technique présente l'avantage d'être rapide, que ce soit au niveau du temps de préparation ou de la vitesse d'impression.
En revanche, les principaux inconvénients de 25 cette technologie concernent la concentration cellulaire à ne pas dépasser lors de l'impression (inférieure à 5 millions de cellules/mL) pour prévenir l'obstruction des têtes d'impression, ainsi que la mortalité cellulaire qui résulte de la contrainte de cisaillement sur les cellules au moment du passage par l'orifice.
30 L'impression jet d'encre, qu'elle soit par technologie piézoélectrique ou thermique, permet d'obtenir une résolution meilleure de l'ordre de 10 pm.
19 Concernant l'impression par microvanne le moyen d'activation de l'impression est la mise sous pression du liquide par de l'air comprimé.
Le liquide à imprimer est libéré par actionnement d'une valve solénoide.
La bio-impression par micro-vanne est proche des 5 technologies jet d'encre mais diffère par le fait que le jet d'encre se forme par la mise sous pression de l'encre puis l'ouverture rapide d'une électrovanne.
Présentant les mêmes contraintes que la bio-impression jet d'encre, cette technologie présente par contre l'avantage de pouvoir imprimer des solutions plus visqueuses que 10 les systèmes jet d'encre.
Typiquement la pression est de quelques centaines de mbars à quelques bars et permet d'obtenir une densité cellulaire moindre de l'ordre de quelques millions de cellules par millilitre et une résolution de l'ordre de quelques dizaines de Nm- 15 La bio-impression par laser permet d'imprimer des encres présentant une forte densité cellulaire de l'ordre de 100 millions de cellules par millilitre avec une résolution de 10 }gym.
Un dispositif d'impression d'éléments biologiques par laser qui repose 20 sur la technique dénommée « Laser-lnduced Forward Transfer » (LIFT) en anglais, comprend une source laser pulsée émettant un faisceau laser, un système pour focaliser et orienter le faisceau laser, un support donneur qui comporte au moins une encre biologique et un substrat receveur positionné de manière à recevoir des gouttelettes 25 émises depuis le support donneur.
Selon cette technique d'impression, le faisceau laser est pulsé et à chaque impulsion une gouttelette est générée.
L'encre biologique comprend une matrice, par exemple un milieu aqueux, dans laquelle sont présents des éléments, par exemple des cellules, à déposer sur le substrat 30 receveur.
Le support donneur comprend une lame transparente à la longueur d'onde du faisceau laser qui peut être revêtue d'une couche absorbante (métallique, polymère, etc) ou pas sacrificial 20 layer free LIFT » en anglais) selon les configurations sur laquelle est apposée l'encre biologique sous la forme d'un film.
D'autres procédés optiques/laser peuvent être mis en oeuvre 5 en substitution ou en complément de la bio-impression par laser (imagerie donneur / viser-tirer / photo-polymérisation, texturation, cavitation, découpe...) combiné à un balayage laser à l'aide de miroirs galvanométriques afin de réaliser des motifs sur le substrat receveur.
10 Quelle que soit la technologie employée, la fabrication d'un tissu biologique par Bio-impression se décompose en cinq étapes : - un prétraitement pour la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) d'un modèle numérique qui va définir l'architecture du tissu biologique, c'est à dire la position dans l'espace (x, y, z) de 15 l'ensemble des constituants du tissu, - la programmation des paramètres d'impression des bioencres (contenant des cellules et/ou des biomatériaux) qui conduit à définir les paramètres physiques de l'imprimante et la trajectoire des têtes d'impression, 20 - la préparation et la formulation des bio-encres constituées d'objets d'intérêt biologique transférable, - l'impression automatisée, couche-par-couche, des bioencres à l'aide de bio-imprimantes utilisant diverses technologies. - la maturation du tissu imprimé qui s'effectue en 25 bioréacteur pour permettre aux cellules de s'auto-organiser jusqu'à faire émerger les fonctions biologiques spécifiques recherchées.
En amont de cette séquence, des reconstructions tomographiques peuvent être réalisées, par exemple, grâce aux 30 imageries microscopiques, histologiques ou médicales ; en aval, les tissus biologiques bio-imprimés sont conditionnés avant d'être acheminés vers l'utilisateur.
21 Les trois dernières étapes de la séquence de fabrication ci-dessus, ainsi que l'étape de conditionnement, doivent être menées dans un environnement parfaitement stérile et libre de toute particule susceptible de contaminer le tissu bio-imprimé, ce qui 5 risquerait d'altérer sa croissance lors de la maturation et sa fonctionnalité, et/ou d'infecter le patient après implantation du tissu.
Pour cette raison, ces étapes sont réalisées dans une 10 enceinte fournissant une atmosphère stérile contrôlée et un environnement propice au développement des tissus.
Impression par laser 15 L'ensemble d'impression (1) est constitué par une ou plusieurs têtes laser et une cible (6).
La ou les têtes laser sont constituées d'une surface plane transparente sur laquelle un film d'encre est déposé soit manuellement par le biais d'une boite à gants, soit par le robot, 20 soit par des moyens fluidiques liés à la source d'alimentation (2).
La source d'alimentation (2) de ladite tête est constituée par un réservoir et une pompe de mise sous pression ou travaillant en débit.
Le moyen d'activation (5) du transfert desdits objets 25 biologiques vers la cible (6) est constitué par un laser situé à l'extérieur de l'enceinte.
Le moyen d'interaction étanche (20) est dans ce cas un hublot optique étanche transparent à la longueur d'onde du laser.
Le moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression 30 par rapport à la cible (6) est constitué par un bras robotisé ou un actionneur mécatronique.
L'enceinte fermée stérilisable correspond à l'une quelconque 22 des configurations précédemment décrites.
Impression par vanne 5 L'ensemble d'impression (1) est constitué par une ou plusieurs vannes et une cible (6).
La source d'alimentation (2) de ladite vanne est constituée par un réservoir et une pompe de mise sous pression.
Le moyen d'activation (5) du transfert desdits objets 10 biologiques vers la cible (6) est constitué par un obturateur, de type piézoélectrique ou un solénoïde.
Le moyen d'interaction étanche (20) est dans ce cas un opercule perforable ou un joint étanche.
Le moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression 15 par rapport à la cible (6) est constitué par un bras robotisé ou un actionneur mécatronique.
L'enceinte fermée stérilisable correspond à l'une quelconque des configurations précédemment décrites.
20 Impression par extrusion L'ensemble d'impression (1) est constitué par une ou plusieurs buses d'extrusion, et une cible (6).
La source d'alimentation (2) de ladite buse est constituée 25 par un réservoir et une pompe de mise sous pression.
Le moyen d'activation (5) du transfert desdits objets biologiques vers la cible (6) est une commande d'alimentation de la buse, par exemple une commande mécanique par une vis sans fin, ou un piston, ou une commande pneumatique directe.
30 Le moyen d'interaction étanche (20) est dans ce cas un opercule perforable ou un joint étanche.
Le moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression 23 par rapport à la cible (6) est constitué par un bras robotisé ou un actionneur mécatronique.
L'enceinte fermée stérilisable correspond à l'une quelconque des configurations précédemment décrites.
5 Impression par jet d'encre L'ensemble d'impression (1) est constitué par une ou plusieurs têtes d'impression par jet d'encre, et une cible (6).
10 La source d'alimentation (2) de ladite tête d'impression par jet d'encre est constituée par un réservoir et une pompe d'alimentation.
Le moyen d'activation (5) du transfert desdits objets biologiques vers la cible (6) est une commande piézoélectrique, 15 acoustique, thermique, laser,...
Le moyen d'interaction étanche (20) est dans ce cas un opercule perforable ou un joint étanche.
Le moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible (6) est constitué par un bras robotisé ou 20 un actionneur mécatronique.
L'enceinte fermée stérilisable correspond à l'une quelconque des configurations précédemment décrites.
Impression par ondes acoustiques 25 L'ensemble d'impression (1) est constitué par une ou plusieurs têtes d'impression acoustiques, et une cible (6) La source d'alimentation (2) de ladite tête d'impression acoustique est constituée par un réservoir et une pompe 30 d'alimentation.
Le moyen d'activation (5) du transfert desdits objets biologiques vers la cible (6) est un transducteur, un laser, etc...
24 Le moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible (6) est constitué par un bras robotisé ou un actionneur mécatronique.
L'enceinte fermée stérilisable correspond à l'une quelconque 5 des configurations précédemment décrites.
Bien entendu, ces variantes de réalisation ne sont pas limitatives, l'invention s'étendant à toute technique de dépose d'un élément biologique vers une cible (6) de manière contrôlée 10 pour la fabrication d'un

Claims (21)

  1. REVENDICATIONS1 - Système de bio-impression comprenant : a) un module d'impression (1) contenant au moins une tête 5 d'impression d'objets d'intérêt biologique transférables et au moins une cible (6) b) une source d'alimentation (2) de ladite tête d'impression d'objets d'intérêt biologique, c) un moyen d'activation (5) du transfert desdits objets 10 d'intérêt biologique vers la cible (6), d) un moyen (3) de déplacement relatif de la tête d'impression par rapport à la cible (6), e) une enceinte fermée stérilisable (10), caractérisé en ce que 15 - ledit module d'impression (1) est placé dans ladite enceinte fermée stérilisable (10), et - ledit moyen d'activation (5) est situé à l'extérieur de ladite enceinte fermée stérilisable (10), - ladite enceinte fermée stérilisable (10) présentant une 20 zone d'interaction étanche (20) avec ledit moyen d'activation (5).
  2. 2 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite enceinte fermée stérilisable constitue l'enveloppe dudit module d'impression.
  3. 3 - Système de bio-impression selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite enceinte fermée stérilisable comprend en outre au moins une source d'alimentation en objets d'intérêt biologique. 25 30
  4. 4 - Système de bio-impression selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que ladite enceinte fermée stérilisable comprend 26 en outre un moyen de déplacement. - Système de bio-impression selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit moyen de déplacement est constitué par 5 un bras robotisé. 6 - Système de bio-impression selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit moyen de déplacement est constitué par un support de cible (6) magnétique interagissant avec des bobines 10 statoriques extérieures à ladite enceinte fermée. 7 - Système de bio-impression selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit moyen de déplacement est constitué par une platine de translation motorisée. 15 8 - Système de bio-impression selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit moyen de déplacement est constitué par une vis sans fin ou des systèmes de courroies 20 9 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen d'activation (5) est constitué par une source laser associée à une optique de mise en forme du faisceau, des moyens de déviation du faisceau et une optique de focalisation, ladite interface étant constituée par une fenêtre 25 transparente. - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen d'activation (5) est constitué par une source lumineuse apte à interagir avec ladite tête 30 d'impression, ladite interface étant constituée par une fenêtre transparente. 27 11 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen d'activation (5) est constitué par les moyens d'alimentation de seringues constituant ladite tête d'impression. 5 12 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite cible (6) est constituée par un volume contenant une résine polymère et ladite tête d'impression est constituée par des aiguilles d'injection des objets d'intérêt 10 biologique transférables. 13 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un bioréacteur pour la maturation d'une cible (6) totalement ou partiellement imprimée, ledit bioréacteur étant positionné dans ladite enceinte fermée stérilisable. 14 - Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un bioréacteur pour la maturation d'une cible (6) totalement ou partiellement imprimée, ledit bioréacteur étant connecté par un moyen étanche à ladite enceinte fermée stérilisable. 15 - Système de bio-impression équipé d'un bioreacteur selon 25 les revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que ledit bioreacteur comprend une alimentation en atmosphère contrôlée (oxygène dissous et CO2) 16 - Système de bio-impression équipé d'un bioreacteur selon 30 les revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que ledit bioreacteur comprend des moyens de remplacement du milieu de culture 28 17 - Système de bio-impression équipé d'un bioreacteur selon les revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que ledit bioreacteur comprend des moyens de régulation des conditions physico-chimiques (température, hygrométrie, pH,...) 18- Système de bio-impression selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de caractérisation physico-chimique de l'évolution de la cible (6) en cours d'impression ou imprimée. 19 - Cassette pour un système de bio-impression conforme à la revendication 1 caractérisé en ce qu'elle est constituée par une enceinte fermée stérilisable constituant l'enveloppe d'un module d'impression. 15 20 - Cassette pour un système de bio-impression selon la revendication 19 caractérisé en ce qu'elle présente au moins un moyen d'identification communiquant apte à transmettre des informations relatives à la tête d'impression et/ou à la cible (6) 20 audit moyen d'activation (5). 21 - Procédé de bio-impression pour la fabrication d'un matériau biologique structuré, à partir de matériaux dont une partie au moins est constituée de particules biologiques consistant à commander le déplacement d'au moins une cible (6) par l'intermédiaire d'un robot dans trois dimensions en regard d'au moins une tête d'impression placés dans une enceinte fermée et stérile, ladite tête d'impression étant alimentée et commandée depuis l'extérieur de ladite enceinte. 5 1030
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