Vue d'ensemble et concept En février 2013, l'Américain Skylar Tibbits a présenté le concept d'impression 4D, et cinq mois plus tard, l'académicien Lu Bingheng de l'université Xi'an Jiaotong a proposé le concept d'impression 5D. Dans un article intitulé "Development Roadmap of 3D Printing Technology" publié dans le China Information Week le 29 juillet 2013, l'académicien Lu Bingheng [...]
En février 2013, l'Américain Skylar Tibbits a présenté le concept d'impression 4D, et cinq mois plus tard, l'académicien Lu Bingheng de l'université Xi'an Jiaotong a proposé le concept d'impression 5D.
Dans un article intitulé "Development Roadmap of 3D Printing Technology" publié dans le China Information Week le 29 juillet 2013, l'académicien Lu Bingheng a été le premier à suggérer que l'impression 5D est la forme actuelle de l'impression cellulaire, où les tissus et organes vivants dont nous avons besoin peuvent être créés par impression.
Il a ensuite décrit l'impression 5D à plusieurs reprises, expliquant qu'au fil du temps, non seulement la forme change, mais la fonctionnalité évolue également. Par exemple, dans l'impression d'organes humains, après avoir imprimé un échafaudage, des cellules humaines y sont incorporées et, dans l'environnement adéquat, elles se transforment en différents tissus, pour finalement devenir un organe.
Bien entendu, l'impression 5D est bien plus qu'un simple concept : si l'impression 4D ajoute la dimension du temps à l'impression 3D, en utilisant des matériaux intelligents pour l'auto-assemblage, l'impression 5D introduit la capacité d'auto-croissance, ce qui n'est pas simplement l'ajout d'une autre dimension, mais l'expansion à de multiples dimensions.
Il est important de noter que : tout d'abord, bien que l'impression 5D utilise toujours un équipement technologique d'impression 3D, les matériaux imprimés sont des cellules vivantes et des facteurs biologiquement actifs qui possèdent de la vitalité. Ces biomatériaux doivent subir des changements fonctionnels au cours de leur développement ultérieur ; par conséquent, une conception du cycle de vie complet doit être envisagée dès le départ.
Deuxièmement, certaines formes libres actuelles de la fabrication 5D font référence à l'usinage à cinq axes au niveau de la technologie de fabrication, qui reste dans le domaine de la fabrication 3D et est totalement différente du concept d'impression 5D, ce qui ne lui confère pas un rôle de premier plan en matière d'innovation scientifique et technologique.
Il est clair que l'impression 5D transformera la fabrication traditionnelle, qui se caractérise par des structures statiques et des performances fixes, en une fonctionnalité dynamique et modifiable, rompant avec les paradigmes de fabrication conventionnels pour aller dans le sens de l'intelligence structurelle et de la genèse fonctionnelle.
Cela entraînera des changements radicaux dans les technologies de fabrication et l'intelligence artificielle, faisant évoluer la production d'entités non vivantes vers des entités semblables à la vie, capables de changer de forme et de propriétés.
À court terme, cette technologie pourrait révolutionner les greffes d'organes et les services de santé pour les humains. À plus long terme, elle pourrait donner une nouvelle orientation à la science manufacturière et aux sciences de la vie, en entraînant un développement révolutionnaire de l'intelligence artificielle.
L'essence de l'impression 5D réside dans la fabrication de tissus dotés de fonctions vitales, offrant ainsi à l'homme la possibilité de fabriquer des organes fonctionnels sur mesure. La technologie de fabrication de tissus artificiels et d'organes est un domaine clé soutenu par les grands fabricants mondiaux.
Par exemple, le document "Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" des États-Unis identifie la fabrication de tissus biologiques comme l'une des principales orientations de la haute technologie ; le "Rapport stratégique sur l'avenir de la fabrication : 2015-2020" de la Commission européenne suggère de se concentrer sur le développement de biomatériaux et de prothèses artificielles, en positionnant la biotechnologie comme l'une des quatre disciplines majeures qui sous-tendent l'avenir de la fabrication ;
La feuille de route technologique de la Société japonaise des ingénieurs en mécanique met en avant la micro-biomécanique pour promouvoir la régénération des tissus comme l'une des dix directions de recherche. Les secteurs internationaux et nationaux ont réalisé des applications cliniques partielles et une industrialisation dans la fabrication de substituts humains personnalisés et de tissus actifs semblables à des membranes.
Cependant, la fabrication technique de tissus et d'organes actifs complexes pose encore de nombreux défis. Actuellement, plus de 300 institutions et entreprises dans le monde se consacrent à la recherche et au développement de la technologie biologique 3D.
Parmi eux, le Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, aux États-Unis, a obtenu une série de résultats pionniers dans le domaine de la 3D biologique : il a été le premier à imprimer avec succès des cellules souches et à induire la différenciation de tissus osseux fonctionnels ; en collaboration avec l'Institut de médecine régénérative de l'armée américaine, il a mis au point une imprimante de peau en 3D ; il a également imprimé en 3D des structures semblables à des "reins artificiels".
Au niveau international, des structures de réseau vasculaire intégrées hétérogènes et des dispositifs d'impression cellulaire intégrés hétérogènes ont été développés, produisant des structures cellulaires hétérogènes telles que des patchs d'os crânien humain et du cartilage d'oreille.
En Chine, l'impression d'os, de dents, d'échafaudages de cartilage auriculaire et de structures vasculaires a été réalisée, avec des applications cliniques préliminaires ; des modèles de cellules souches de glioblastome et des modèles de fibres de tumeurs cérébrales hétérogènes à cellules multiples ont également été fabriqués. Des universités chinoises de renom, dont l'université Tsinghua, l'université Xi'an Jiaotong, l'université Zhejiang, l'université technologique de Chine du Sud, l'université du Sichuan et l'université Jilin, ont mené des recherches approfondies dans ce domaine.
L'écart entre certains secteurs de production biologique nationaux et le niveau international avancé se réduit, quelques-uns atteignant même une position de leader mondial.
L'impression 5D représente la convergence de la technologie de fabrication et de la technologie des sciences de la vie, où la conception, la fabrication et la régulation intentionnelles sont au cœur du projet. Les principales questions clés portent sur les cinq aspects suivants.
En s'appuyant sur la compréhension des propriétés d'auto-croissance des entités vivantes, il est nécessaire de développer des théories pour la conception structurelle et fonctionnelle des cellules et des gènes au stade élémentaire et tout au long du processus de croissance.
Les principaux défis sont les suivants : premièrement, dépasser les théories de conception mécanique existantes axées sur la conception structurelle et la fonction mécanique pour développer des méthodes de conception qui font évoluer conjointement la structure, l'actionnement et la fonction ; deuxièmement, comprendre les lois régissant la réplication des cellules et des gènes et l'autoréplication pour concevoir la composition et la structure des cellules à l'état initial qui se développent selon leurs propres règles ;
et troisièmement, mener des recherches sur les matériaux, les processus de fabrication et les méthodes de contrôle technique pour les entités vivantes qui sont dégradables, possèdent une résistance technique adéquate et peuvent être activées et cultivées dans certains environnements.
Dans l'impression 5D, les unités vivantes servent de base à la croissance et au développement des tissus, les cellules ou les gènes individuels constituant le cœur des manifestations fonctionnelles ultérieures. L'accumulation de ces unités vivantes à l'échelle micro et nanométrique nécessite l'étude de leurs principes d'empilement et de leurs interrelations.
En ajustant les relations intercellulaires, nous pouvons contrôler la structure spatiale tridimensionnelle et les fonctions, facilitant ainsi la croissance des tissus et la régénération fonctionnelle. La caractéristique de l'impression 5D est la régénération fonctionnelle d'entités vivantes, la préservation de leur viabilité étant primordiale.
Par conséquent, la fabrication d'entités vivantes nécessite la mise en place d'un environnement de culture adapté, y compris le contrôle des nutriments, de l'oxygène, du dioxyde de carbone et d'autres conditions atmosphériques dans le milieu de culture, afin de créer une synergie entre l'environnement biologique et le processus d'impression.
Il est essentiel d'étudier les mécanismes et l'innovation des processus qui permettent à différents matériaux et structures de se transformer en divers tissus et fonctions dans certains environnements. Les structures et fonctions initiales de l'impression 5D doivent se transformer en fonctionnalités finales dans des environnements spécifiques.
Pour cela, il faut comprendre la relation entre la formation des fonctions et la conception de la fabrication, ainsi que les lois des changements fonctionnels au fil du temps dans les systèmes multicellulaires.
Cela inclut les relations d'interconnectivité et d'interactions cellulaires qui, par leurs effets, construisent des fonctions de libération d'énergie (cellules musculaires) ou de transmission d'informations (neurones), fournissant ainsi une base technique pour le développement de dispositifs multifonctionnels.
Les entités vivantes sont des organisations fonctionnelles contrôlables par l'information, à l'instar du rôle des neurones chez les animaux et les humains. Dans l'impression 5D, il est crucial d'explorer quels matériaux et structures peuvent remplacer les fonctions neuronales, comment transmettre correctement les signaux électriques ou chimiques, et comment conduire la formation de diverses fonctionnalités dans les tissus.
La recherche sur les tissus neuronaux et cérébraux permettra d'établir des organisations de transmission de l'information basées sur les caractéristiques naturelles de l'homme, ce qui permettra de progresser vers une intelligence artificielle dotée d'une organisation naturelle semblable à celle du cerveau.
L'apprentissage profond actuel dans le domaine de l'intelligence artificielle repose sur la conjecture de modèles, la formation de données, l'accumulation d'apprentissage continu, et utilise même des algorithmes génétiques biologiques pour réaliser des fonctions d'intelligence artificielle, de la même manière que les avions ont remplacé les oiseaux.
À l'avenir, des entités ressemblant à des cerveaux pourraient utiliser l'impression 5D pour implanter des puces dans des organes recréés ou artificiels, s'inspirer de l'interconnectivité aléatoire des neurones du cerveau humain pour créer de puissantes puces biologiques, ou utiliser des gènes pour reproduire entièrement un cerveau biologiquement actif.
La collecte d'informations, le contrôle de la prise de décision et l'actionnement entre le cerveau artificiel, les organes d'origine humaine et divers organes artificiels sont des domaines qui nécessitent davantage de recherche et d'innovation.
Lors de la mise en œuvre de la technologie d'impression 5D, il est essentiel de comprendre les principes de conception et de fabrication. Pour cibler des organes ou des dispositifs biologiques spécifiques, il faut s'engager dans une conception systématique de la croissance structurelle et fonctionnelle.
Il s'agit de comprendre comment réguler les combinaisons cellulaires ou génétiques dans l'impression 5D, comment contrôler les dommages induits par le processus sur l'organisme vivant pendant l'impression, et comment gérer les fonctions des organes ou dispositifs formés, ainsi que les interventions et l'orientation de la croissance cellulaire.
Il est nécessaire de comprendre la relation entre l'impression 5D et la formation fonctionnelle, d'évaluer et de mesurer les fonctions des dispositifs ou tissus multifonctionnels et d'établir un système de recherche qui intègre la conception de l'unité de vie, l'impression sans dommages et la création de fonctions. Ce système fournit le soutien technique nécessaire au développement d'organes et de dispositifs dotés de propriétés biologiques.
L'impression 5D permettra de passer de matériaux tels que le bois, le métal et le silicium à des matériaux biologiques, et de passer de structures immuables à des dispositifs capables de régénération fonctionnelle.
Pour y parvenir, il est essentiel d'établir des techniques de conception et de fabrication transformatrices guidées par la fonctionnalité et de faire progresser la technologie de fabrication grâce à l'intégration interdisciplinaire. Le State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering de l'université Xi'an Jiaotong a mené des explorations prometteuses dans la direction du développement de l'impression 5D.
L'infarctus du myocarde est une maladie grave qui constitue une menace importante pour la santé humaine. Les patchs cardiaques artificiels existants manquent de propriétés électrophysiologiques et ne peuvent pas établir de conduction du signal électrique avec le myocarde hôte, ce qui ne permet pas d'obtenir une contraction synchrone et nuit gravement à la récupération fonctionnelle du myocarde infarci.
Il est donc nécessaire de mener des recherches sur l'intégration de fonctions de détection conductrices dans les tissus cardiaques traditionnels. Il s'agit d'utiliser la technologie d'impression 3D micro/nano multimatériaux pour parvenir à la fabrication intégrée et contrôlable d'échafaudages cardiaques à détection conductive, offrant ainsi de nouveaux moyens d'explorer la pathogenèse et le traitement de l'infarctus du myocarde.
Cette recherche propulsera la biofabrication de la fabrication traditionnelle d'échafaudages vers le développement d'échafaudages conducteurs intelligents. En simulant la structure des micro/nano-fibres de la matrice extracellulaire cardiaque naturelle, des recherches ont été menées sur les techniques d'impression électrostatique multimatériaux composites de fibres conductrices à l'échelle micro/submicroscopique.
En utilisant l'impression électrostatique par fusion, des microfibres de poly(caprolactone) (PCL) d'un diamètre de 9,5μm±1,5μm ont été fabriquées ; en utilisant l'impression électrostatique par solution, des fibres conductrices de poly(3,4-éthylènedioxythiophène)/poly(styrenesulfonate)-polyéthylène oxyde (PEDOT:PSS-PEO) d'un diamètre de 470nm±76nm ont été produites.
Les fibres conductrices sub-microscopiques PEDOT:PSS-PEO ont présenté une excellente conductivité, avec une conductivité de 1,72×103S/m. En employant une méthode d'accumulation couche par couche, des échafaudages composites multicouches ont été créés, composés d'échafaudages de microfibres multicouches avec diverses orientations et d'échafaudages conducteurs à l'échelle microscopique, comme le montre la figure 8-17.
L'échafaudage composite multicouche présentait des propriétés mécaniques favorables dans le sens des fibres, avec un module d'élasticité d'environ 13,0 MPa. Les mesures de la conductivité de l'échafaudage ont montré que l'ajout de fibres conductrices PEDOT:PSS-PEO de taille sub-microscopique améliorait de manière significative la conductivité de l'échafaudage.
En outre, les échafaudages conducteurs à l'échelle microscopique ont conservé une conductivité stable dans un environnement aqueux, jetant ainsi les bases d'expériences cellulaires ultérieures.
Les cardiomyocytes primaires, les cellules les plus importantes du tissu cardiaque, fournissent la force nécessaire à la contraction du cœur et à la circulation sanguine.
L'influence de l'échafaudage composite multicouche susmentionné sur la croissance orientée et le battement synchrone des cardiomyocytes primaires de rats a été étudiée. Après huit jours de co-culture, il a été observé que les cardiomyocytes primaires étaient capables de se développer le long de fibres PCL micrométriques et de former des réseaux cellulaires complexes et orientés sur des fibres conductrices PEDOT:PSS-PEO sub-micrométriques.
Les cellules ont également exprimé des quantités substantielles de protéines α-actinine et CX43 spécifiques au cœur. L'analyse de quantification par fluorescence a révélé que la quantité de ces protéines exprimées sur les fibres conductrices sub-micrométriques PEDOT:PSS-PEO était significativement plus élevée que sur les fibres micrométriques PCL.
Cela démontre que les fibres conductrices sub-micrométriques PEDOT:PSS-PEO ont amélioré la conductivité de l'échafaudage, la transmission des signaux électriques intercellulaires, l'expression des protéines et la capacité de battement des cardiomyocytes. En outre, la conception en couches orientées de l'échafaudage conducteur multicouche a facilité davantage le battement synchrone des cardiomyocytes primaires.
Les neurosciences constituent l'une des orientations les plus importantes de la recherche scientifique actuelle et l'un des sommets de la compétition scientifique entre les nations. En 2013, le président des États-Unis, M. Obama, a annoncé la création de la Brain Initiative, bientôt suivie par l'Union européenne et le Japon, qui ont lancé respectivement le Human Brain Project et le Brain/Minds Project.
Dans le "13e plan quinquennal" de la Chine, la science du cerveau et la recherche sur les fonctions cérébrales se classent au quatrième rang des 100 projets majeurs. Selon l'Organisation mondiale de la santé, les maladies du cerveau telles que la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, l'autisme et la dépression sont devenues un fardeau sociétal plus lourd que les maladies cardiovasculaires et le cancer. En raison d'une compréhension limitée de leur pathogenèse, presque tous les cas sont dépourvus de traitements efficaces.
Dans la recherche sur les sciences du cerveau et les maladies cérébrales, le manque de donneurs de tissus cérébraux humains est devenu un goulot d'étranglement majeur. Les tissus cérébraux animaux ne peuvent pas représenter pleinement les caractéristiques du cerveau humain ; par conséquent, la construction de modèles in vitro qui imitent étroitement les tissus cérébraux humains naturels est une exigence inévitable pour l'avancement des neurosciences.
La fonctionnalité des neurones dans le tissu cérébral et leur signalisation sont fondamentales pour les fonctions cognitives. La disposition de ces cellules, leurs types et leurs densités dans les couches corticales sous-tendent les zones fonctionnelles du cortex cérébral. Passer de la compréhension du cerveau à sa création marque la direction à suivre pour développer des ordinateurs semblables au cerveau.
La construction morphologique et fonctionnelle in vitro du tissu cérébral dépend de la conception biomimétique et de la fabrication précise de types de neurones, de structures de construction et de combinaisons de neurones correspondant aux domaines fonctionnels ciblés. Il s'agit là d'une voie d'avenir que l'impression 5D de fonctions biologiques semblables à celles du cerveau devrait suivre.
Dans le cadre du développement d'un équipement pour la construction in vitro de tissus semblables au cerveau, un système intégré d'impression et de culture de cellules a été conçu et assemblé. Il peut imprimer simultanément diverses cellules et composants de la matrice, avec une vitesse de la tête d'impression de 100 à 1000 ml/min et une précision de déplacement de la table de travail X-Y ne dépassant pas 20μm.
Il peut imprimer des couches de tissus de 100 à 300μm d'épaisseur, en maintenant une température de chambre d'impression de 37°C±1°C. Les concentrations d'oxygène et de dioxyde de carbone sont réglables, avec des écarts de concentration de ±1%, fournissant une plateforme d'équipement pour l'impression in vitro de tissus multi-cellulaires de type cérébral, comme le montre la figure 8-18.
Sur la base de l'équipement d'impression existant, les paramètres du processus d'impression ont été optimisés pour répondre aux exigences de l'impression de cellules neuronales, ce qui a permis de préparer des tissus neuronaux tridimensionnels viables qui encapsulent des cellules neuronales primaires de rat avec une viabilité cellulaire post-impression de plus de 94%.
Le tissu cérébral naturel se compose principalement de deux types de cellules neurales : les neurones et la névroglie. En utilisant la plateforme susmentionnée, nous avons construit des modèles de tissus neuronaux purs, de tissus mixtes de neurones et de cellules gliales, et de structures tissulaires complexes avec des neurones et des cellules gliales coexistant dans un arrangement spatial tridimensionnel prédéfini.
Cette installation a permis la coculture de neurones et de cellules gliales de tissus cérébraux actifs in vitro dans diverses relations structurelles spatiales. La recherche indique que les neurones, placés à côté des cellules gliales mais stratifiés par rapport à elles, peuvent présenter des morphologies et des expressions biochimiques qui rappellent davantage les tissus cérébraux naturels que les neurones cultivés seuls in vitro.
Ce modèle fournit une représentation plus précise et une base de recherche pour la coexistence des cellules neurogliales et des neurones d'un point de vue tridimensionnel, jetant les bases d'efforts ultérieurs en science du cerveau et d'études pharmacologiques pathologiques utilisant des modèles in vitro.
Les machines existantes sont limitées par leur faible efficacité de conversion énergétique et leur flexibilité. Les robots multidirectionnels flexibles bioinspirés, alimentés par des tissus musculaires ou des cellules vivantes, représentent l'avenir des machines bio-symbiotiques avec une efficacité de conversion énergétique élevée, une sécurité intrinsèque et un mouvement agile. À cette fin, il est nécessaire de mener des recherches sur les méthodes de fabrication de composites multicellulaires/multimatériaux pour les robots bioinspirés.
Cette recherche vise à fournir une approche de fabrication rapide, reproductible et personnalisable, basée sur les exigences fonctionnelles de la locomotive de robots proches de la vie qui intègrent des systèmes biologiques et mécaniques.
① Pour la conception de l'entité biologique, nous avons mis au point une microstructure d'échafaudage à coefficient de Poisson négatif pour la culture et la différenciation des cellules musculaires. Cette conception améliore le degré de différenciation des cellules musculaires et la force de contraction du tissu musculaire tout en fournissant la protection et les nutriments nécessaires pour maintenir l'activité à long terme de l'entité biologique.
② En ce qui concerne la fabrication de l'entité biologique, l'impression 3D a été utilisée pour fabriquer des biocomposants. La recherche expérimentale sur la croissance et la différenciation des cellules musculaires squelettiques a révélé que ces cellules peuvent se différencier en fibres musculaires matures, jetant ainsi les bases de la construction d'entités biologiques fonctionnelles. En outre, nous avons construit un robot hybride bio-mécanique rampant inspiré de la limace de mer.
③ En ce qui concerne la régulation de la fonctionnalité de l'entité biologique, une plateforme de stimulation à couplage multi-champs a été mise en place. Des études sur les mécanismes de régulation des stimuli d'enrichissement de l'environnement bionique (tels que les stimuli électriques et mécaniques) sur les performances de conduite de l'entité biologique ont été menées.
④ En ce qui concerne les performances de conduite des robots bioinspirés, un modèle cinématique et dynamique basé sur un système ressort-amortisseur du second ordre a été développé pour le robot. À l'aide d'une plate-forme expérimentale cinématique et dynamique, des tests de performance de conduite du robot ont été effectués. Les résultats ont montré que, sous l'effet d'une stimulation par ondes carrées d'une fréquence de 50 Hz et d'une tension de 1 V, le robot pouvait avancer en rampant à une vitesse de 2 mm/s.
Les recherches susmentionnées explorent les orientations futures potentielles des robots du corps vivant.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
FR 
EN 
ES 
RU 
DE 