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Le rétrécissement de la trachée ou des bronches principales dû à une blessure ou à une maladie peut très mal se terminer. Si les patient·es reçoivent trop peu d'oxygène, ils et elles risquent d'étouffer et ont souvent besoin d'une aide médicale le plus rapidement possible.
Les chirurgien·nes insèrent des stents en silicone ou en métal médicalement utilisables comme moyen de traiter ces patient·es. Bien qu'ils apportent rapidement un soulagement, les implants présentent également des inconvénients : Les stents en métal doivent être retirés chirurgicalement avec un certain effort, ce qui est une charge pour les patient·es, tandis que les stents en silicone migrent souvent loin du site d'insertion. La raison en est que les implants ne sont pas adaptés à l'anatomie des patient·es.
Une équipe de recherche de l'ETH Zurich, composée de membres des groupes «Matériaux complexes» et «Formulation et administration des médicaments», a maintenant mis au point un stent pour les voies respiratoires en collaboration avec des chercheuses et chercheurs de l'hôpital universitaire de Zurich et de l'université de Zurich ; il est adapté aux patient·es et biorésorbable (c'est-à-dire qu'il se dissout progressivement après l'implantation). Ces stents sont fabriqués à l'aide d'un procédé d'impression 3D connu sous le nom de traitement numérique de la lumière (DLP) et de résines photosensibles spécialement adaptées à cet effet.
Dans un premier temps, les chercheuses et chercheurs créent une image de tomographie par ordinateur d'une section spécifique des voies respiratoires. Sur cette base, ils et elles développent un modèle numérique 3D du stent. Les données sont ensuite transférées sur l'imprimante DLP, qui produit le stent personnalisé couche par couche.
Dans le processus DLP, une plateforme de construction est immergée dans un réservoir rempli de résine. La plateforme est ensuite exposée à la lumière UV aux endroits souhaités selon le modèle numérique. Là où la lumière frappe la résine, celle-ci durcit. La plate-forme est légèrement abaissée et la couche suivante est exposée à la lumière. De cette façon, l'objet désiré est créé couche par couche.
Résine spéciale développée
Jusqu'à présent, la technologie DLP ne pouvait produire que des objets rigides et cassants en utilisant des matériaux biodégradables. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH ont donc mis au point une résine spéciale qui devient élastique après exposition à la lumière.
Cette résine est basée sur deux macromonomères différents. Les propriétés matérielles de l'objet produit avec cette résine peuvent être contrôlées par la longueur (poids moléculaire) des macromonomères utilisés et par leur rapport de mélange, comme le montrent les chercheuses et chercheurs dans leur dernière étude dans Science Advances.
Dès que la lumière UV frappe la résine, les monomères se lient entre eux et forment un réseau de polymères. Comme la résine nouvellement développée est trop visqueuse à température ambiante, les chercheuses et chercheurs ont dû la traiter à des températures de 70 à 90 degrés Celsius.
Les chercheuses et chercheurs ont produit plusieurs résines avec différents monomères et ont testé les prototypes qu'ils et elles ont fabriqués à partir de celles-ci pour voir si le matériau est compatible avec les cellules et biodégradable. Ils et elles ont également testé l'élasticité des prototypes et les contraintes mécaniques telles que la compression et la tension. Enfin, les scientifiques ont utilisé le matériau ayant les propriétés souhaitées pour fabriquer des endoprothèses, qui ont été testées sur des lapins.
L'insertion des endoprothèses a également nécessité un instrument spécial, car les objets imprimés en 3D doivent être livrés pliés. Les implants ne peuvent pas être pliés ou comprimés dans la mauvaise direction et ils doivent se déplier parfaitement sur leur site de déploiement.
Les chercheuses et chercheurs ont inclus de l'or dans la structure du stent afin de faciliter l'utilisation de l'imagerie médicale pour suivre son emplacement pendant l'insertion. Cela rend le stent plus robuste, mais ne modifie pas sa tolérabilité.
Des tests réussis, de bonnes perspectives
Les tests effectués sur les lapins par le groupe de recherche de Daniel Franzen, médecin-chef du département de pneumologie de l'hôpital universitaire de Zurich, et la faculté Vetsuisse ont été couronnés de succès. Les chercheuses et chercheurs ont pu montrer que les implants sont biocompatibles et qu'ils sont absorbés par le corps après six à sept semaines. Dix semaines après l'implantation, le stent n'était plus visible sur les images radiographiques. De plus, les stents insérés ne bougeaient généralement pas de leur site d'insertion.
«Ce développement prometteur ouvre des perspectives pour la production rapide d'implants et de dispositifs médicaux sur mesure qui doivent être très précis, élastiques et dégradables dans le corps», déclare Jean-Christophe Leroux, professeur de formulation et d'administration des médicaments à l'ETH Zurich. D'autres recherches seront menées pour rendre l'insertion des stents aussi douce que possible.
En outre, les processus doivent être conçus de manière à ce que la production soit possible au point d'utilisation, ou du moins qu'elle implique des chaînes d'approvisionnement courtes. Le processus est encore à l'échelle du laboratoire. «Cependant, la production de tels stents à grande échelle est une entreprise complexe que nous devons encore mieux étudier», déclare André Studart, chef du groupe des matériaux complexes à l'ETH Zurich. Cependant, il affirme que la technique peut être transférée relativement facilement à des applications médicales similaires. «Ce n'est qu'une question de temps, espérons-le, avant que notre solution ne trouve sa place dans la clinique», dit le professeur.