Etude d'un nouveau dispositif de bioimpression par laser

Study of a novel configuration of laser Assisted Bioprinting

• Auteur / Autrice : Muhammad Ali
• Direction : Fabien Guillemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interface Chimie-Biologie
• Date : Soutenance le 23/06/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-II (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de la santé et de la recherche médicale (France ; 1964-....) - Bioingénierie tissulaire
• Jury : Président / Présidente : Éric Cormier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Prima, Stéphane Pallu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioimpression

Génie tissulaire

Mots clés libres

Bioimpression

Imagerie résolue en temps

Formation de jet liquide par bulles de cavitation

Bioprinting

Time-resolved imaging

Liquid jet formation by cavitation bubble

Résumé

Les technologies laser sont largement utilisées dans le contexte de l'impression 3D de matériaux de toute taille ainsique pour la bioimpression des constituants de tissue biologiques. Dans ce contexte, la bioimpression par laser (LAB), basée sur le procédé LIFT, a émergé comme une technique permettant de s'affranchir des inconvénients des technologies d'impression à jet d'encre(par exemple le colmatage). La bioimpression par Laser est une technique d'écriture directe de matériaux sous forme solide ou liquide dotée d'une haute résolution spatiale. La technique permet ainsi le transfert précis de microgouttelettes (volume de l'ordre du pL) de biomatériaux et de cellules sur un substrat de réception. Dans nos travaux de recherche, afin de mieux comprendre la dynamique du processus de transfert et d'utiliser la technique en ingénierie tissulaire, nous avons avons développé une approche expérimentale basée sur une méthode d'imagerie résolue en temps. Nous avons tout d'abord caractérisé les différents régimes d'éjection afin de définir des conditions appropriées à l'impressiond'éléments biologiques. Nous avons également exploré la fenêtre d'éjection, afin d'étudier l'influence de l'énergie laser sur la dynamique de jet. Ensuite, nous avons étudié une nouvelle de configuration bioimpression par laser pour laquelle des études paramétriques impliquant l'effet de la viscosité et de la distance d'impression sur la morphologie des gouttes imprimées ont été réalisées. Cette configuration permet d'imprimer des encres biologiques en obtenant des contours très lisses et uniformes jusqu’à une grande distance de séparation (≤10 mm). Les paramètres d'impression de cellules ont aussi été analysées par TRI en fonction de la concentration cellulaire des encres. Nos résultats fournissent des renseignements clés sur l'optimisation et devraient permettre un meilleur contrôle du mécanisme de transfert du processus de LAB. Enfin à la lumière de ces études, nous proposons un mécanisme complet pour la bioimpression par laser.

Laser-based approaches are among the pioneering works in cell printing. These techniques are being extensively focussed for two or three-dimensional structures of any size in transferring pattern materials including deposition of 3D biological constructs. In this context, Laser-Assisted Bioprinting (LAB), based on Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as a nozzleless method to surmount the drawbacks (e.g. clogging) of inkjet printing technologies. LAB is a laser direct-write technique that offers printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomaterials and living cells. The technique enables controlled transfer of droplets onto a receiving substrate. A typical LAB setup comprises three key components: (i) a pulsed laser source, (ii) a ribbon coated with the material to be transferred and (iii) a receiving substrate. The ribbon integrates three layers: (i) a quartz disk support transparent to laser wavelength, (ii) a thin (1–100 nm) absorbing layer (like Ti or Au), and (iii) a bioink layer (few tens of microns) incorporating the material to print. The receiving substrate is faced to the bioink and placed at 100 μm to 1 mm distance from the ribbon. Rapid thermal expansion of metallic layer (on absorbing laser pulse) propels a small volume (~pL) of the ink towards a receiving substrate. Such a metallic interlayer eliminates direct interaction between the laser beam and the bioink. Volume of deposited material depends linearly on the laser pulse energy, and that a minimum threshold energy is required for microdroplet ejection. The thickness of the absorbing layer, viscosity and thickness of the bioink, different optical parameters such as the focus spot and the laser fluence are the controlling parameters to obtain a microscopic resolution and to limit the shock inflicted on the ejected cells. In our research works, we considered experimental approach to study the physical mechanism involved in the LAB using a time-resolved imaging method in order to gain a better insight into the dynamics of the transfer process and to use the technique for printing biomaterials. First we designed and implemented a novel configuration of LAB for upward printing. Then we characterized different ejection regimes to define suitable conditions for bioprinting. We further explored jetting window to study the influence of laser energy on jet dynamics. Ejection dynamics has been investigated by temporal evolution of the liquid jet for their potential use in cell printing. In addition parametric studies like effect of viscosity and printing distance on the morphology of the printed drops were conducted to explore jetting “window”. This configuration allows debris-free printing of fragile bioinks with extremely smooth and uniform edges at larger separation distance (ranging from 3 to 10mm). Material criteria required for realization of the cell printing are discussed and supported by experimental observations obtained by TRI investigation of cell printing from donors with different cell concentrations. These results provide key insights into optimization and better control of transfer mechanism of LAB. Finally, in the light of these studies, a comprehensive mechanism is proposed for printing micro-drops by LAB.