Des valves cardiaques sur mesure en silicone

Notre c?ur est composé de plusieurs ventricules et oreillettes, et chacun d'entre eux est équipé d'une valve cardiaque. Celles-ci agissent comme des valves et veillent à ce que le sang ne s'écoule que dans une seule direction. Mais si les valves cardiaques fuient, se rétrécissent ou se dilatent, voire se déchirent, le sang reflue vers les ventricules ou les oreillettes du c?ur. Cela sollicite fortement cet organe. Dans le pire des cas, cela peut entra?ner des troubles du rythme cardiaque ou une insuffisance cardiaque.

Selon la gravité de la défaillance valvulaire, des valves cardiaques artificielles permettent de remédier à cette situation. Dans les décennies à venir, les besoins devraient fortement augmenter en raison du vieillissement, du manque d'activité physique et d'une mauvaise alimentation dans une grande partie du monde. Environ 850 000 personnes auront besoin de valves cardiaques artificielles en 2050.

Con?u et fabriqué numériquement

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'entreprise sud-africaine SAT ont donc cherché - et trouvé - une alternative aux valves cardiaques de remplacement utilisées aujourd'hui. Ils ont développé une valve cardiaque artificielle en silicone qu'ils fabriquent en plusieurs étapes à l'aide d'imprimantes 3D. Les chercheurs ont rendu compte de ce développement dans le dernier numéro de la revue spécialisée "Matter".

Le nouveau modèle présente plusieurs avantages par rapport aux modèles existants : La valve cardiaque en silicone est fabriquée sur mesure, car les chercheurs déterminent d'abord la forme et la taille individuelles de la valve cardiaque non étanche au moyen d'une tomographie assistée par ordinateur ou d'une imagerie par résonance magnétique. Cela permet d'imprimer une valve cardiaque qui s'adapte exactement à un patient. ? partir des images, les chercheurs créent un modèle de grille numérique et une simulation informatique qui leur permet de calculer à l'avance les forces et les déformations agissant sur l'implant. De même, le matériau est compatible avec le corps et le flux sanguin à travers la valve cardiaque en silicone est aussi bon que celui des valves de remplacement traditionnelles.

Jusqu'à présent, les chirurgiens cardiaques utilisaient des modèles composés principalement de pièces métalliques ou de tissus animaux provenant de vaches. Pour que de tels implants soient compatibles, les patients doivent prendre des médicaments qui suppriment le système immunitaire ou fluidifient le sang, ce qui entra?ne des effets secondaires indésirables considérables.

De plus, la géométrie des modèles utilisés jusqu'à présent est rigide. Il est donc difficile pour les chirurgiens de raccorder les valves cardiaques artificielles de manière "étanche" à la circulation sanguine, respectivement au c?ur. "Les valves de remplacement actuelles sont rondes, mais l'aorte ne l'est pas. Elle a une forme différente pour chaque personne", explique Manuel Schaffner, l'un des premiers auteurs de l'étude et ancien doctorant d'André Studart, professeur de matériaux complexes. Enfin, la fabrication de valves cardiaques artificielles est co?teuse et prend beaucoup de temps.

Gr?ce à la nouvelle valve cardiaque en silicone, les chercheurs peuvent contourner de tels problèmes. Pour fabriquer une telle valve avec une imprimante 3D, les chercheurs en matériaux n'ont besoin que d'environ une heure et demie. En revanche, la fabrication manuelle d'une valve cardiaque artificielle à partir de matériel bovin prend plusieurs jours de travail. La production avec des imprimantes 3D pourrait en outre être accélérée, c'est-à-dire qu'une batterie d'imprimantes pourrait produire des dizaines, voire des centaines de valves par jour.

Une production rapide

Les scientifiques commencent par créer une empreinte négative de la valve. De l'encre de silicone est pulvérisée sur cette empreinte en forme de couronne à trois pointes, ce qui donne les fines ailes du volet. Dans une étape ultérieure, une imprimante à extrusion imprime sur leur surface des motifs définis de fils fins avec une p?te de silicone visqueuse. Ceux-ci correspondent à des fibres de collagène qui traversent les valves cardiaques naturelles. Les fils de silicone renforcent les feuillets de la valve et prolongent la durée de vie de la valve de remplacement. La racine du vaisseau sanguin reliée à la valve cardiaque est imprimée selon le même procédé et recouverte à son extrémité d'un stent réticulé, nécessaire pour raccorder la valve de remplacement en silicone à la véritable circulation sanguine.

Les premiers tests ont donné des résultats prometteurs sur le fonctionnement des valves cardiaques. L'objectif des chercheurs en matériaux est d'augmenter la durée de vie de ces valves de remplacement à 10 ou 15 ans. C'est la durée de vie des modèles actuels chez les patients avant qu'ils ne doivent être remplacés. "Ce serait bien si nous pouvions un jour fabriquer des valves cardiaques qui durent toute une vie et qui, le cas échéant, pourraient même grandir avec le patient, de sorte qu'elles pourraient déjà être utilisées chez des personnes jeunes", déclare Schaffner.

Il faudra toutefois attendre au moins dix ans avant que leur valve cardiaque artificielle puisse être utilisée en clinique. Pour cela, les produits doivent passer avec succès de nombreuses phases cliniques.

Recherche de partenaires industriels

Fergal Coulter, premier auteur de l'étude, travaille actuellement au développement de la valve cardiaque en silicone. "De tels essais sont nécessaires pour que la technique ait la moindre chance d'être utilisée chez l'homme", souligne-t-il. Coulter est post-doctorant dans le groupe de Studart et a développé les imprimantes 3D nécessaires à l'impression des valves cardiaques.

Coulter continue également à expérimenter de nouveaux matériaux afin de prolonger la durée de vie des valves cardiaques. Pour que la valve cardiaque puisse être commercialisée, il faut toutefois un partenaire industriel ou, le cas échéant, un spin-off. "En tant que groupe de recherche, nous ne pouvons malheureusement pas proposer toute la cha?ne, de la première expérience à la première application dans le corps d'un être humain", souligne Schaffner.