Étude expérimentale de procédés de bioimpression assistés par laser femtoseconde

par Helene Desrus

Thèse de doctorat en Interface Chimie-Biologie

Sous la direction de Sylvain Catros.

Soutenue le 17-05-2016

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) , en partenariat avec Bioingénierie tissulaire (laboratoire) .

Le président du jury était Lionel Canioni.

Le jury était composé de Bruno Chassagne, Frédéric Prima.

Les rapporteurs étaient Philippe Delaporte, Karsten Plamann.


  • Résumé

    Ce mémoire est consacré à l’étude expérimentale de deux procédés de bioimpression assistée par laser femtoseconde, fonctionnant à 1030 nm. En effet, les lasers femtosecondes constituent un choix intéressant pour la bioimpression: la versatilité des matériaux qui peuvent être déposés et la zone affectée thermiquement négligeable sont des atouts pour l’impression de structures biologiques complexes, sans compromettre la viabilité et la fonctionnalité des matériaux biologiques transférés. Tout d’abord, la bioimpression assistée par laser femtoseconde avec couche absorbante métallique a été étudiée sur une bioimprimante adaptée au transfert de cellules (MODULAB®). Une étude expérimentale a été menée par observation du jet induit par laser grâce à un système d’imagerie résolue en temps (TRI) et par impression sur receveur (puits de culture). La rhéologie de la bioencre, certains paramètres laser, ainsi que la position de focalisation laser ont été variés lors des expériences. Des tests de viabilité cellulaire après l’impression ont permis d’identifier une énergie optimale de 3 μJ. L’étude de la variation de la position de focalisation a permis de prédire la plage de tolérance de la position de focalisation du laser : pour une énergie de 3,5 μJ et une ON équivalente de 0,125, la tolérance maximale dans la direction « z » était de 60 μm pour pouvoir imprimer.Dans un second temps, la bioimpression assistée par laser femtoseconde sans couche absorbante a été étudiée sur un montage expérimental comprenant un réservoir de bioencre via des paramètres opératoires clés (position de focalisation, ouverture numérique de l’objectif de focalisation, diamètre de goutte imprimé, la hauteur du jet de l’impression par TRI, la distance de transfert limite pour imprimer). L’impression était reproductible pour une distance d’impression de 75 % hmax à 100 % hmax, hmax étant la hauteur maximale du jet d’impression pour une condition expérimentale. L’utilisation du réservoir de bioencre a permis de trouver une position de focalisation z tolérante: Δz a été calculée (Zernike et l’aberration sphérique) et mesurée. Expérimentalement, Δz valait de 0 à 60 μm selon la bioencre et l’ON. Elle était maximale à l’ON 0,4. Cette tolérance est grande devant la profondeur de champs dans l’air (4 μm à l’ON 0,4) mais faible au regard de la tolérance sur la position du receveur qui peut subir une variation de 25% hmax, d’après la plage de reproductibilité.

  • Titre traduit

    Experimental study of bioprinting processes assisted by femtosecond laser


  • Résumé

    This manuscript deals with the experimental study of two bioprinting processes assisted by femtosecond laser at a wavelength of 1030 nm. Indeed, femtosecond lasers are an interesting choice for bioprinting: the high versatility of materials which can be deposited and the negligible heat affected zone are advantages to print complex biological structures without compromising viability and functionality of the transferred biological materials. Firstly, femtosecond laser assisted bioprinting with a metallic absorbing layer was studied on a bioprinter adapted for cell printing (MODULAB®). An experimental study was conducted, observing the laser induced jet of liquid with a time-resolved imaging system (TRI) and printing on receiver substrates (cell culture well plate). The bioink rheology, some laser parameters, and the laser focus position were changed during the experiments. Cell viability assays after the printing enabled to identify an optimal energy of 3 μJ. The study of the laser focus position variation allowed predicting the tolerance range of the laser focus position: for 3.5 μJ and an equivalent numerical aperture (NA) of 0.125, the maximum tolerance in the “z” direction was of 60 μm in order to print. Secondly, femtosecond laser assisted bioprinting without an absorbing layer was studied on an experimental set-up comprising a reservoir of bioink. Some key operating parameters were studied (focalization position, NA of the focalization objective, printed drop diameter, printing jet height by TRI, maximum transfer distance for printing). The printing was reproducible for a printing distance from 75 % hmax to 100 % hmax, with hmax corresponding to the maximum printing jet height for a given experimental condition. Using the reservoir of bioink enabled to find a tolerant focalization position z: Δz was calculated (Zernike polynomial and the spherical aberration) and measured. Experimentally, Δz ranged from 0 to 60 μm depending on the bioink and the NA. It was maximal at NA 0.4. This tolerance is high compared to the depth of field in the air (4 μm at NA 0.4) but low compared to the tolerance of the receiver substrate position which can vary to 25 % hmax according to the reproducibility range.


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