Imprimer en 3D grâce aux ultrasons

Une salle remplie de machines bruyantes, quelques ordinateurs ici et là, et, au centre, une sorte d’imprimante 3D, coiffée d’un système ultrasonore. « C’est là que la magie opère », dit en souriant Muthu­kumaran Packirisamy, professeur au Département de génie mécanique, in­dus­­triel et aéro­spatial de l’Université Concordia.

La magie ? Imprimer des objets à distance grâce à des ultrasons. « Ces der­niers sont souvent utilisés pour des ablations de tissus à l’intérieur du corps. Ici, on a voulu les utiliser pour créer quel­que chose », souligne le chercheur. Peau, graisses, tissus, sang : les ultra­-sons ont en effet la capacité de pénétrer toutes ces couches de notre corps, ce qui leur confère diverses applications dans le milieu médical. On peut, par exemple, obtenir grâce à eux des images de nos organes lors d’échographies ou détruire une tumeur en utilisant des ondes plus puissantes. Ici, les chercheurs proposent plutôt d’imprimer des tissus directe­ment dans notre corps après une injection locale de polymères, sans la moindre chirurgie.

Cette image, captée à l’aide d’une caméra haute vitesse, montre une impression en cours.
Les ultrasons causent la formation de bulles de cavitation (l’espèce de pic que l’on aperçoit en haut).

Tout le fonctionnement repose sur les propriétés particulières des polymères. Liquides, ceux-ci peuvent se solidifier, pour peu qu’on leur fournisse un peu d’énergie. Et de l’énergie, les ultrasons en ont à revendre : il suffit de paramétrer le système ultrasonore (fréquence, puis­sance…) et de focaliser les ultrasons en un point précis, au milieu d’un bain de polymères, pour déclencher un phéno­mène dit de cavitation. « La pression et la température augmentent, et de très petites bulles sont créées en ce point », explique le professeur Packirisamy. Ce phénomène ne dure qu’une fraction de seconde, mais la température et la pression en question sont telles que le polymère passe de l’état liquide à solide, juste au niveau de la bulle, pour créer une sorte de « pixel » solide en 3D.

« La température à l’intérieur de la bulle peut monter à plusieurs milliers de degrés, mais le milieu autour d’elle reste à température ambiante », affirme Mohsen Habibi, associé de recherche au sein du laboratoire de Muthukumaran Packirisamy et premier auteur de l’article publié sur cette découverte dans Nature Communications, en avril 2022. Pour imprimer la forme voulue, on dé­place la pièce à imprimer par rapport au système ultrasonore, et le tour est joué : de nouvelles bulles sont créées, le polymère se solidifie en un autre point précis pour créer un autre « pixel », et ainsi de suite. La structure obtenue peut être plus ou moins poreuse selon les paramètres ultrasonores choisis et elle pourrait donc être investie par des cellules, afin de régénérer des tissus lésés, par exemple.

Jusqu’ici, les chercheurs ont réussi à imprimer à distance diverses formes à travers de la peau ou des muscles en laboratoire, mais aucune expérience n’a encore été menée sur des êtres vivants. « C’est un tout nouveau domaine, il reste du chemin à parcourir avant d’imprimer un organe directement à l’inté­rieur du corps », nuance Muthukumaran Packirisamy.

Il faudra donc patienter avant de voir arriver les imprimantes à organes dans les hôpitaux ! Ce qui n’empêche pas les chercheurs d’entrevoir d’autres applications à leur découverte : en microfluidique ou en aérospatiale, la recette pour imprimer des objets à distance pourrait servir un peu partout.

Ont aussi participé à cette étude : Shervin Foroughi et Vahid Karamzadeh.