Impression 3D : une innovation à la conquête de la médecine ?

C’est une technologie qui se démocratise de plus en plus que ce soit chez les particuliers ou dans l’industrie. Tout secteur amené à réaliser des productions matérielles peut se trouver chambouler par cet avènement. Bien sûr, la médecine en fait partie et l’intérêt de l’impression 3D pour celle-ci trotte dans les esprits depuis longtemps. Quels bénéfices en tire-t-on aujourd’hui ?

Les procédés d’impression 3D

Derrière ce terme se trouve une multitude de techniques et d’appareils aux performances différentes. Parmi elles, on compte deux technologies majeures utilisées par la plupart des imprimantes 3D du marché : 

• FDM (Fused Deposit Modelling) : Avec ce procédé, l’imprimante 3D fait fondre un filament pour le déposer couche par couche grâce à une buse jusqu’à ce que la pièce  prenne forme. Concernant les matériaux utilisés, il passe principalement par des polymères thermoplastiques comme le PLA, mais aussi par le métal.
• SLA ou Stéréolithographie : Il s’agit de la plus ancienne technique d’impression 3D. Elle solidifie point par point une résine liquide à l’aide d’un rayon UV projeté par un laser pour créer la pièce. Il existe une importante variété de résine pour répondre à de nombreux besoins. Par exemples, certaines sont dures et résistantes, d’autres flexibles ou bien transparentes. 

Quelles différences entre les deux ?

Ces deux technologies de fabrication additive possèdent chacune leurs avantages et leurs inconvénients. La première revient beaucoup moins chère pour les machines comme pour les bobines de matériaux. Elle offre une impression rapide et simple, mais sa précision reste plutôt limitée. À l’inverse, la seconde s’avère plus lente et plus coûteuse, mais permet de réaliser des détails complexes et des surfaces complètement lisses. En outre, il existe de nombreuses résines pour des usages précis ce qui rend la SLA plus polyvalente. Hormis l’entrée de gamme dédiée aux particuliers, les machines avec cette technologie seront souvent plus chères que les modèles FDM. De plus, la résine demeure plus onéreuse et n’est pas le seul consommable nécessaire pour ces imprimantes.

Les autres technologies d’impression 3D

Outre les procédés FDM et SLA, il en existe d’autres pour des objectifs plus spécifiques comme :

• SLS (Selective Laser Sintering)  : L’impression se fait grâce à un laser qui vient chauffer et fritter les particules d’une poudre jusqu’à obtenir l’objet fini. Cette technologie permet notamment d’imprimer des pièces complexes, fonctionnelles et résistantes à la chaleur. Ces caractéristiques en font un des procédés les plus appréciés dans l’industrie. 
• SLM (Selective Laser Melting) : celui-ci est très proche du SLS à la différence qu’il fusionne les particules de poudres ensemble au lieu de les fritter. Il sert principalement pour l’impression de pièces en métal complexes fort utiles dans l’industrie.
•  DLP (Digital Light Processing) : Moins réputé que le SLA, ce procédé utilise lui aussi une résine et un rayon UV. Toutefois, celui-ci passe ici par un projecteur et solidifie les couches de matériau en une seule fois. Ce qui rend les imprimantes DLP plus rapides, mais moins précises que les SLA.

L’impression 3D au service des prothèses

En acquérir peut s’avérer très onéreux au point d’être inaccessible pour certains patients. Cette technologie est justement un moyen de créer des prothèses économiques et surtout sur mesure. Les imprimantes FDM possèdent par exemple un faible coût d’achat et d’utilisation idéal pour des prothèses basiques. Il existe d’ailleurs des filaments antibactériens adaptés à ce genre de pièce. Autrement dit, une personne nécessitant une prothèse de bras peut télécharger un modèle 3D et l’imprimer chez lui sans aucun intermédiaire. Avec une maîtrise plus ou moins avancée de la modélisation 3D, il est également possible de l’adapter aux spécificités de son corps. De plus, une quantité importante de ces modèles sont disponibles gratuitement ce qui ne laisse que le coût des matériaux. Ainsi, les solutions les plus basiques reviennent à une trentaine d’euros alors qu’une prothèse classique dépasse aisément le millier.

Des solutions orthopédiques grâce à l’impression 3D

Là où une prothèse remplace un membre absent du corps, une orthèse compense la faiblesse d’une partie en proie à une blessure ou toutes autres complications qui l’empêcher de fonctionner correctement. Par exemple, un corset sert à soutenir et stabiliser un dos fragile. Tout comme les prothèses, la démocratisation de l’impression 3D renforce l’accessibilité à ce genre de solution. Au-delà du coût réduit pour créer une pièce, cette technologie diminue considérablement le temps de production de celle-ci. En outre, le panel d’orthèses réalisables de cette façon semble bien large. Des entreprises ont par exemple commercialisé des semelles orthopédiques, des genouillères ou encore des casques correcteurs. On trouve également des solutions du même genre qui remplacent les plâtres par des dispositifs moins contraignants et plus esthétiques. La société Xkelet en propose un qui s’installe et se retire aisément avec un design léger et bardé de trou.

Notons qu’une orthèse n’est pas la même chose qu’une attelle. La première soutient la partie affaiblie pour lui permettre de continuer à bouger tandis que la seconde l’immobilise complètement.

Des implants imprimés en 3D

Les ajouts internes que l’ont peut donner au corps humain bénéficient eux aussi de cette technologie. Sa précision offre des pièces qui correspondent parfaitement ou presque à la morphologie du patient. De plus, elle a accès à un panel conséquent de matériaux biocompatible, chose importante dans le cas des implants. En effet, certaines matières sont moins bien accueillies que d’autres au sein de notre corps. Pour la médecine, la fabrication additive passe entre autres par des alliages en titane, des thermoplastiques comme le PEEK ou encore par la céramique. Parmi les implants déjà réalisés par des entreprises spécialisées on trouve par exemple : 

• Un sternum en titane
• Une côte en polyamide flexible
• Un implant de colonne vertébrale en PEEK
• Une vertèbre en titane.

Bien sûr, ces pièces ne peuvent être réalisées par des particuliers. Elles sont le fruit du travail de professionnel de la médecine ou d’entreprises dédiées à ce type de création comme Anatomics. Cette dernière collabore avec hôpitaux et patients pour fournir des solutions adéquates. 

Reproduire le vivant avec une imprimante 3D ?

Bien qu’encore balbutiante, la bio-impression 3D progresse et ses perspectives d’avenir sont vertigineuses pour la médecine. La reproduction efficace d’organes ou d’autres parties du corps humain pourraient la bouleverser en rendant la greffe accessible à une majorité de patients. Cependant, cette technologie n’existe que depuis 2004 et se heurte à la complexité de nos tissus organiques. En effet, ils sont composés de millions de cellules, plus ou moins groupées et espacées par des vaisseaux sanguins. Ainsi, les machines et les procédés d’impression doivent être très précis, mais aussi garder les cellules en vie et assurer leurs multiplications après le processus. Ces contraintes font que la bio-impression d’organes humains n’est pas encore accessible. Toutefois, les chercheurs progressent d’année en année pour un jour atteindre ce but. Par exemple, la société BIOLIFE4D a bio-imprimé en 2019 un cœur miniature doté de ventricules et de vaisseaux sanguins partiellement fonctionnel.

La bio-impression offre déjà des avancées intéressantes concernant la médecine. Le fait de créer des cellules à partir de prélèvement sur une personne permet par exemple de tester l’efficacité de médicaments dessus. C’est ce qu’a fait le chercheur Pierre Layrolle en reproduisant des cellules cancéreuses pour essayer plusieurs chimiothérapies et déterminer la meilleure pour ces tissus. Voilà un moyen d’adapter un traitement aux cellules d’un patient en particulier ou d’en tester sans expérimentation sur les humains ou les animaux.

Quel matériau utilise la bio-impression ?

Vous l’aurez compris, cette technologie ne passe pas par les matières habituelles des imprimantes 3D. Ces dernières laissent place à une encre biologique chargée de cellule cultivée à partir de prélèvements sur un corps humain. Grâce à des procédés comme l’impression laser ou la micro-extrusion, la machine crée le tissu en déposant des micros-gouttelettes de cette encre. Le fait que les futurs organes imprimés en 3D fonctionnelles se baseront sur des cellules humaines de patients réduira considérablement le risque de rejet de transplantation par leurs corps.

Un cœur en silicone fonctionnel imprimé en 3D

L’université suisse ETH Zurich a atteint ce résultat en 2017. L’organe possède des dimensions proches du nôtre avec 679 cm³ et surtout, il peut battre ! S’il a bien deux ventricules, il est dépourvu du septum ventriculaire qui les sépare en temps normal. À sa place, on trouve une chambre qui se gonfle avec la pression atmosphérique qui lui permet de pomper le sang. Toutefois, ce cœur ne supporte que 3000 battements ce qui correspond à moins d’une heure de fonctionnement. Autrement dit, cette innovation ne peut absolument pas servir de greffe. Malgré cela, il s’agit sans doute d’un premier pas pour rendre les cœurs artificiels plus accessibles. On peut imaginer que le coût exorbitant de ce type transplantation puisse diminuer en amenuisant celui de la production de ces prothèses.

L’impression 3D et le secteur dentaire

La fabrication additive et particulièrement la technologie SLA dispose de matière d’impression adaptée à ce domaine. À partir d’une visualisation 3D de la dentition d’un patient, un praticien peut imprimer la prothèse nécessaire dans un matériau biocompatible. L’entreprise Formlabs propose par exemple plusieurs résines dédiées spécifiquement à ce domaine. Celle destinée à l’impression de couronne définitive est faite en céramique et offrirait une production 88 % moins chère par rapport à une couronne classique selon la société. D’autres servent à la réalisation de dentier, de portes empreintes ou encore de gouttières. Les imprimantes 3D peuvent également créer des guides chirurgicaux plus précis que ceux obtenus avec un moulage. Depuis peu, l’entreprise Stratasys propose même une machine optimisée pour ce secteur : la J5 DentaJet. Ses fabricants expliquent qu’elle offre un gain de productivité considérable par rapport aux autres. Celle-ci peut imprimer jusqu’à 41 implants par jour !

Entraîner les chirurgiens avec des impressions en 3D

La forte précision de certaines technologies de fabrication additive et le catalogue de matériaux compatibles de celles-ci donnent à ces machines une autre utilité. En effet, il est possible depuis plusieurs années d’imprimer des reproductions fidèles d’organes humains sur lesquels des chirurgiens ou futurs chirurgiens peuvent s’exercer. Ces copies possèdent une matière similaire à nos tissus organiques que l’on peut manipuler, ouvrir ou suturer. Des chercheurs de l’université américaine Carnegie Mellon ont même mis au point une méthode d’impression pour reproduire un cœur au toucher très proche de la réalité. Fait avec un dérivé d’algues marines que l’on appelle alginate, la production à l’unité de ce cœur coûte 10 $. Quoi de mieux pour un étudiant en médecine que d’apprendre la pratique sur des copies conformes ? Ces possibilités représentent également une aubaine pour des chirurgiens expérimentés qui souhaite se préparer à une opération délicate où le risque est élevé.

À l’avenir, on peut imaginer une reproduction des vaisseaux sanguins dans ces organes pour y injecter du faux sang et proposer une véritable simulation d’opération chirurgicale.