Etude des processus physiques mis en jeu lors de la microimpression d'éléments biologiques assistée par laser

• Auteur / Autrice : Agnès Souquet
• Direction : Fabien Guillemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 24/02/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Hallo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John Lopez, Laurent Sarger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berthe, Philippe Delaporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Impression numérique

Mots clés libres

Microimpression d'éléments biologiques

Écriture directe par laser

Transfert vers l'avant induit par laser

Imagerie Résolue en temps

Bulles de cavitation

Modélisation

Bioprinting

Laser direct writing

Laser induced forward transfer

Time-resolved imaging

Bubble cavitation

Modeling

Résumé

Parallèlement à l’impression jet d’encre et au bioplotting, l’impression d'éléments biologiques assistée par laser (Laser Assisted Bioprinting : LAB) qui utilise le transfert vers l’avant induit par laser (Laser Induced Forward Transfer : LIFT) a émergé comme une méthode alternative dans l’assemblage et la micro–structuration de biomatériaux et de cellules. Le LAB est une technique d’écriture directe qui offre la possibilité d’imprimer des motifs avec une haute résolution spatiale à partir d'une large gamme de matériaux solides ou liquides, tels que des diélectriques, des biomolécules et des cellules vivantes en solution.Dans nos travaux de recherche, nous avons considéré une approche expérimentale et numérique pour étudier les mécanismes physiques mis en jeu lors de la microimpression d’éléments biologiques assistée par laser. Dans un premier temps nous avons défini les paramètres rhéologiques des bioencres et les conditions de transfert (composition, épaisseur et viscosité de la bioencre et énergie laser). Puis nous avons mené une analyse statistique du volume des gouttelettes déposées pour quatre viscosités de bioencre, cinq épaisseurs de bioencre et cinq énergies laser. Ensuite nous avons conçu et mis en place un système d’imagerie résolue en temps pour étudier les effets de la viscosité sur la dynamique de l’éjection. Nous avons ainsi différencié trois régimes d'éjection en fonction de l'énergie laser déposée dans la couche absorbante, de la viscosité et de l'épaisseur de la bioencre. Parallèlement, un modèle numérique a été mis en place pour comprendre et prédire la dynamique de l’éjection en fonction de paramètres multiples : choix et épaisseur de la couche absorbante, épaisseur de la couche de bioencre, énergie laser déposée. Enfin, au regard de ces études, nous proposons un mécanisme d'éjection des microgouttelettes intervenant au cours du procédé de microimpression assistée par laser.

Over this decade, cell printing strategy has emerged as one of the promising approaches to organize cells in two and three dimensional engineered tissues. In parallel with ink-jet printing and bioplotting, Laser Assisted Bioprinting (LAB) using Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as an alternative method in the assembly and micropatterning of biomaterials and cells. LAB is a laser direct-write technique that offers the possibility of printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomolecules and living cells in solution. In our research works, we considered an experimental and numerical approach to study the physical mechanisms involved in the biological elements microprinting laser assisted.First we defined the rheological parameters of bioinks and the transfer conditions (composition, thickness and viscosity of the bioink and laser energy). Then we led a statistical analysis of the volume of the transfer droplets for four viscosities of bioink, five thicknesses of bioink and five laser energies. Then we designed and implemented a system for time resolved imaging to study the effects of viscosity on the dynamics of the ejection. Thus we have differentiated three ejection regimes in function of the laser energy released in the absorbing layer, the visocsity and the thickness of the bioink. In parallel, a numerical model was developed to understand and predict the dynamics of the ejection parameters according to multiple choice and thickness of the absorbing layer, thickness of the layer bioencre, energy deposited. Finally, with regard to these studies, we propose a mechanism for ejecting droplets involved in the process of laser-assisted microprinting.