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At Hannover Medical School, Prof. Dr Bettina Wiegmann’s team has developed a membrane architecture printed as a continuous three-dimensional network as an alternative to the bundles of tiny plastic tubes used in artificial-lung systems. The new design transferred up to 88% more oxygen than conventional hollow-fibre membranes in the team’s study, published in Advanced Materials.
À l’École de médecine de Hanovre, l’équipe de la Prof. Dr Bettina Wiegmann a mis au point une architecture de membrane imprimée sous la forme d’un réseau tridimensionnel continu, destinée à remplacer les faisceaux de minuscules tubes en plastique utilisés dans les systèmes de poumons artificiels. Dans l’étude de l’équipe, publiée dans Advanced Materials, cette nouvelle conception a transféré jusqu’à 88 % d’oxygène de plus que les membranes conventionnelles à fibres creuses.
The work is part of a research programme on an implantable lung led by Wiegmann, an emergency medicine specialist and consultant in cardiac surgery at Hannover Medical School. Researchers from RWTH Aachen University worked with her group at the Lower Saxony Centre for Biomedical Engineering, Implant Research and Development. The starting point is ECMO — extracorporeal membrane oxygenation, a system already used clinically to pass blood across artificial membranes for gas exchange.
Ces travaux s’inscrivent dans un programme de recherche consacré à un poumon implantable, dirigé par Wiegmann, spécialiste de la médecine d’urgence et médecin senior en chirurgie cardiaque à l’École de médecine de Hanovre. Des chercheurs de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle ont collaboré avec son groupe au Centre de Basse-Saxe pour l’ingénierie biomédicale, la recherche sur les implants et le développement. Le point de départ est l’ECMO — l’oxygénation extracorporelle par membrane —, un système déjà utilisé en clinique pour faire circuler le sang à travers des membranes artificielles afin d’assurer les échanges gazeux.
Those conventional membranes resemble parallel rows of tiny straws. Blood flow is not distributed ideally through the bundles, which limits gas exchange and creates interfaces where clots can form. The new TPMS — triply periodic minimal surface — architecture creates one connected network instead, spreading blood more evenly and reducing flow resistance. Its large surface area can fit into a smaller volume, while 3D printing allows the structure to be produced and customised precisely.
Ces membranes conventionnelles ressemblent à des rangées parallèles de pailles minuscules. Le débit sanguin n’est pas réparti de manière idéale dans les faisceaux, ce qui limite les échanges gazeux et crée des interfaces où des caillots peuvent se former. La nouvelle architecture TPMS — surface minimale triplement périodique — crée au contraire un réseau unique et connecté, qui répartit le sang plus uniformément et réduit la résistance à l’écoulement. Sa grande surface peut tenir dans un volume plus réduit, tandis que l’impression 3D permet de produire et de personnaliser précisément la structure.
The membrane is made from a silicone polymer that the researchers describe as biocompatible, non-toxic and chemically stable. It is permeable to oxygen and carbon dioxide and can be colonised by endothelial cells, the cells that line natural blood vessels and can help regulate clotting. That could improve how future artificial lungs interact with blood, although the published result does not establish long-term performance in patients.
La membrane est fabriquée à partir d’un polymère de silicone que les chercheurs décrivent comme biocompatible, non toxique et chimiquement stable. Elle est perméable à l’oxygène et au dioxyde de carbone et peut être colonisée par des cellules endothéliales, les cellules qui tapissent les vaisseaux sanguins naturels et peuvent contribuer à réguler la coagulation. Cela pourrait améliorer les interactions des futurs poumons artificiels avec le sang, même si le résultat publié n’établit pas leurs performances à long terme chez les patients.
So what changes in practice? In the nearer term, the architecture could make existing ECMO systems more efficient and compact, potentially offering the same or better oxygen supply in a smaller artificial lung. The longer-term plan is more ambitious: use a patient’s CT scan to create a mould for individually tailored lung segments or an entire lung, then seed the printed structure with the patient’s own or genetically modified endothelial cells. That implantable biohybrid lung is still a research goal, not a deployed device.
Qu’est-ce que cela change en pratique ? À plus court terme, cette architecture pourrait rendre les systèmes ECMO existants plus efficaces et plus compacts, en fournissant potentiellement un apport d’oxygène identique ou supérieur dans un poumon artificiel de plus petite taille. Le projet à plus long terme est plus ambitieux : utiliser le scanner CT d’un patient pour créer un moule destiné à des segments pulmonaires personnalisés ou à un poumon entier, puis ensemencer la structure imprimée avec les cellules endothéliales du patient, ou avec des cellules génétiquement modifiées. Ce poumon biohybride implantable reste un objectif de recherche, et non un dispositif déployé.