Des chercheurs français exploitent l’impression 3D de silicone pour concevoir un simulateur physique de déglutition
Le besoin de perfectionnement des techniques chirurgicales est en constante croissance. Avec les progrès de l’impression 3D silicone, une nouvelle dimension s’ouvre dans le développement d’appareils de type simulateurs physiques servant à la modélisation et à la compréhension de mécanismes physiologiques complexes tels que la déglutition.
Les simulateurs physiques fabriqués avec des matériaux comme le silicone imitent la texture de la peau ou de l’organe modélisé, et offrent une expérience plus fidèle de la réalité de l’intervention chirurgicale et de la restitution des mouvements physiologiques reproduits. C’est dans ce contexte que les imprimantes 3D Lynxter ont été intégrées à un projet de recherche médicale ambitieux, le projet PASSE (Projet d’Amélioration du Simulateur Swall-E), financé par l’Institut Carnot MICA, et porté conjointement par l’Unité 1121 de l’Inserm (Strasbourg) et l’Institut Régional des Matériaux Avancés (IRMA) (Ploemeur).
Zoom sur le pharyngolarynx imprimé par la S300X pour le simulateur physique Swall-E
Swall-E, simulateur physique de déglutition chez l’homme
Les acteurs à l’initiative de ce projet de haute technologie biomédicale sont les chercheurs de l’Inserm Unité 1121, le Pr. Christian Debry, chef du service d’ORL et de Chirurgie Cervico-faciale des HUS (Hôpitaux Universitaires de Strasbourg) et membre de l’Unité Inserm 1121, et Yo Fujiso, Ingénieur de recherche à l’Unité Inserm 1121. L’objectif est de recréer avec précision les mouvements d’une impressionnante complexité du pharyngolarynx (conduit anatomique constitué du pharynx et du larynx), offrant une plateforme de simulation pour les chirurgiens ORL, en permettant une reproductibilité in vitro simulant le contexte in vivo des patients. Ce concept est basé sur le principe des jumeaux numériques, modèle virtuel (ici réel mais in silico – modèle informatique) d’un objet physique qui simule le comportement.
Impression 3D Silicone et Projet Swall-E
Dans cette perspective, Swall-E incarne l’avenir de la médecine personnalisée en reproduisant un environnement physiologique in vitro électromécanique contrôlé pour explorer les subtilités de la déglutition et sa complexité, tout en simplifiant cette dernière pour adapter des thérapeutiques ciblées (implants ORL de pharynx ou larynx de nouvelle génération). Il en émerge la notion de « simplexité » qui est l’art de rendre simple, lisible et compréhensible des notions complexes dans les domaines du systémique, de l’ingénierie et de la neuroscience. Couplé à la notion de jumeau numérique, Swall-E fait entrer ces recherches de plein pied dans le futur.
L’objectif ultime est de concevoir un pharyngolarynx artificiel entièrement fonctionnel pour les patients ayant perdu tout ou partie de la fonctionnalité de cet organe, en raison d’un cancer, d’une radiothérapie, ou surtout de certaines maladies neuro-dégénératives compromettant gravement les fonctions périphériques de la déglutition… Une telle avancée transformerait la vie des patients avec l’espoir de redonner cette capacité de manger en limitant voire en supprimant les fausses routes, améliorant ainsi considérablement leur qualité de vie et réduisant la morbidité/mortalité.
Pharyngolarynx imprimé par la S300X pour Swall-E, avec support soluble
Nettoyage du matériel support du pharyngolarynx imprimé par la S300X pour Swall-E
Des technologies de pointe au cœur du projet
Le prototype Swall-E combine diverses technologies d’avant-garde :
– Impression 3D silicone :
Cette technologie permet la fabrication de modèles hautement détaillés de pharyngolarynx, grâce à un matériau souple, le silicone, reproduisant au mieux la texture réelle de l’organe. L’institut Carnot MICA collabore avec l’IRMA, Institut Régional des Matériaux Avancés, en la personne de Clément Denoual, Ingénieur R&D Matériaux, pour fabriquer les conduits en silicone. Ils utilisent l’impression 3D pour tester différentes anatomies et morphologies. Les imprimantes S600D et S300X de Lynxter se sont imposées comme un choix évident, permettant une reconstruction précise du pharyngolarynx en termes d’apparence, de texture et de perception haptique.
Pharyngolarynx imprimé par la S300X pour Swall-E
– Reconstruction 3D :
Grâce à une technique de modélisation 3D avancée, les chercheurs peuvent créer des modèles numériques des structures pharyngolaryngées spécifiques à chaque patient, ouvrant la voie à des stratégies de solutions thérapeutiques ORL personnalisées.
Visuel 3D du pharyngolarynx
– Biomatériaux et bio-ingénierie :
L’équipe explore des matériaux biocompatibles imitant la texture et la fonction des tissus humains, assurant une compatibilité pour les futures implantations chez les patients.
Au-delà de sa prouesse technologique, Swall-E met en lumière la puissance collaborative entre ingénieurs, chirurgiens et experts en bio-ingénierie dans un effort multidisciplinaire qui repousse les frontières de l’innovation médicale.
Vue d’ensemble du simulateur de déglutition Swall-E – câbles métalliques d’actionnement, câbles électriques et alimentation électrique non représentés : (1) conduit anatomique en silicone ; (2) actionneur ; (3) générateur de pression ; (4) réservoir de stockage de bolus ; (5) seringue motorisée ; (6) électrovanne ; (7) carte électronique et microcontrôleur ; (8) caméra latérale haute vitesse ; (9) structure en aluminium
Des objectifs ambitieux pour la santé publique
Bien qu’il soit encore en phase de développement, Swall-E présente un potentiel immense. Le prototype initial démontre la capacité du simulateur à :
– Étudier finement le processus de déglutition sur des patients sains et d’autres présentant des troubles de la déglutition, pour mieux comprendre et prendre en charge les dysfonctionnements/pathologies et proposer des solutions thérapeutiques ciblées (personnalisées).
– Améliorer la formation chirurgicale en fournissant une plateforme de simulation réaliste pour perfectionner les techniques de reconstruction du pharynx et du larynx et ainsi améliorer les résultats chirurgicaux.
– Permettre d’affiner par la rhéologie les approches de réhabilitation de la déglutition en analysant finement la progression des bolus alimentaires le long des structures pharyngolaryngées.
Captures vidéo enregistrées par des caméras haute vitesse en vue latérale et arrière d’une séquence normale de déglutition d’un bolus épais de 10 ml reproduite par le simulateur Swall-E.
Au cœur de ces avancées se trouve un enjeu majeur de santé publique, avec l’ambition de minimiser les conséquences des troubles de la déglutition et des fausses routes consécutives entre autres aux maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer…), qui affectent plus de 50 millions de personnes dans le monde et entraînent des pneumopathies mettant régulièrement en jeu le pronostic vital. Sans oublier le cancer du larynx, avec environ 12 650 nouveaux cas signalés* chaque année aux États-Unis seulement, soulignant ainsi le besoin urgent de solutions innovantes pour le remplacement laryngé en vue de supprimer l’orifice de trachéotomie.
De tels travaux ont été initiés par l’équipe du Pr. Christian Debry dans les années 2000, ayant abouti en 2012 à la pose du premier larynx artificiel**, mais nécessitant des améliorations constantes pour permettre de restaurer des déglutitions normales sans fausses routes. C’est dans cette optique que Swall-E trouve aussi pleinement sa place.
Pharyngolarynx imprimé par la S300X pour Swall-E – vue de haut
Détail de l’impression du Larynx :
| SECTEUR | R&D, SANTÉ |
| APPLICATION | Simulateur de Pharyngolarynx |
| MATERIAUX | COPSIL 3D 10 Sh A |
| DIMENSION | 53 x 123 x 66 mm |
| IMPRIMANTE 3D | MEX – S300X LIQ21 | LIQ11. |
| TEMPS D’IMPRESSION | 6h40 |
| QUANTITE DE MATIERE | 46 gr silicone / 106gr support |
| HAUTEUR DE COUCHE | 0.35 mm |
| TAILLE DE BUSE | 0,69 mm |
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Sources :
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0208193
Présentation du projet Swall-E, un simulateur de déglutition humaine sur Youtube – 2023
* Bradley A. Schiff, MD, Montefiore Medical Center, The University Hospital of Albert Einstein College of Medicine
** Debry, C., Dupret–Bories, A., Vrana, N.E., Hemar, P., Lavalle, P. and Schultz, P. (2014), Laryngeal replacement with an artificial larynx after total laryngectomy: The possibility of restoring larynx functionality in the future. Head Neck, 36: 1669-1673. https://doi.org/10.1002/hed.23621
** Debry, C., Vrana, N.E., Dupret-Bories, A., Implantation of an Artificial Larynx after Total Laryngectomy. N Engl J Med. 2017 Jan 5;376(1):97-98. doi: 10.1056/NEJMc1611966
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