Développement d’une bio-imprimante 3D opto-fluidique pour l’impression haute résolution et multimatériaux d’hydrogel

Development of an opto-fluidic 3D bioprinter for high resolution and multimaterial printing of hydrogels

• Auteur / Autrice : Victor Fournie
• Direction : Laurent Malaquin, Emmanuelle Trévisiol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Grisolia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luciano Vidal, Coline Pinese
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Villard, Olivier Soppera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Stéréolithographie

Bioimpression

Mots clés libres

Bio-Impression 3D

Stéréolithographie

Microfluidique

Scaffolds 2.5D et 3D

Instrumentation

Spheroïdes

3D bio-Printing

Stereolithographu

Microfluidics

Scaffolds 2.5D et 3D

Instrumentation

Spheroids

Résumé

Au cours de cette étude, nous avons introduit un concept novateur d'impression 3D à des fins biologiques. La plateforme 3D-FlowPrint a été conçue pour réaliser des impressions en haute résolution avec plusieurs matériaux. Cette approche vise à pallier les lacunes actuelles des technologies existantes. La micro-extrusion, la stéréolithographie et les sondes microfluidiques ont parfois la capacité d'imprimer des objets hétérogènes, d'imprimer en hautes résolutions ou de précisément manipuler des fluides, mais jamais toutes ces conditions ne sont réunies de manière satisfaisante. La plateforme 3D-FlowPrint adopte un système microfluidique pour acheminer les fluides jusqu'à une tête d'impression immergée, où la solution injectée est photopolymérisée. En dissociant l'apport du matériau de sa polymérisation, cette plateforme parvient à offrir à la fois une haute résolution et la possibilité de travailler avec divers matériaux.Le cœur de cette plateforme réside dans la conception de sa tête d'impression. Cette tête permet l'injection et la récupération des fluides sans contamination de l'environnement, tout en facilitant la transmission de la lumière d'un laser via une fibre optique intégrée. Pour atteindre ces objectifs, nous avons élaboré quatre générations successives de têtes d'impression. La première génération, usinée et moulée, a démontré la faisabilité du concept, mais avait des marges d'amélioration. La deuxième génération, entièrement imprimée en 3D, offrait de nouvelles possibilités géométriques et un prototypage rapide, mais posait des problèmes en matière d'interface optique. La troisième génération, combinant impression 3D et assemblage de matériaux optiquement compatibles, a permis des impressions reproductibles de PEGDA pour développer et caractériser la plateforme. Cependant, cette génération avait des limitations pour l'impression de GelMA. La quatrième génération a surmonté ce problème en introduisant une bulle d'air sous la tête et résolvant ainsi les défis de la troisième génération.Ce manuscrit analyse aussi le système microfluidique en place. Les têtes d'impression fonctionnent en immersion pour autoriser l'impression dans des environnements cellulaires. Ces têtes comprennent un canal d'injection et un canal d'aspiration, ainsi que des reliefs de surface pour assurer la collecte complète de la solution injectée, minimisant la contamination. Via des simulations numériques, des diagrammes de phase ont été établis pour évaluer le taux de récupération du matériau injecté. Ces simulations ont orienté l'optimisation des reliefs de surface pour améliorer les performances des têtes d'impression. De plus, la capacité à changer de fluide au cours d'une impression multimatériaux a été analysée.L'introduction d'une fibre optique dans la tête d’impression a permis la photopolymérisation de la solution injectée. La plateforme a gagné en versatilité avec deux vitesses d'impression grâce à des têtes d'impression imprimées en 3D comprenant deux fibres optiques. Les seuils de photopolymérisation du PEGDA et du GelMA ont été étudiés, et l'impact des flux sur la photopolymérisation a été vérifié. Ces analyses ont abouti à l'impression de structures 2D, 3D et multimatériaux de manière reproductible avec une précision jusqu'à 7 um.En tant que preuve de concept pour des applications biologiques, la plateforme a été utilisée pour quatre approches différentes. Premièrement, des objets en PEGDA inhibent l'adhérence cellulaire sur des parties spécifiques du substrat, permettant d'étudier le développement contraint géométriquement. Deuxièmement, des structures de soutien (scaffold) pour des tissus surfaciques en 3D ont été imprimées. Troisièmement, l'impression de cellules en suspension dans du GelMA a été réalisée ainsi que la caractérisation de la viabilité cellulaire de cette méthode. Finalement, une plateforme hybride a été développée pour la coimpression d'hydrogels et le positionnement de sphéroïdes en trois dimensions.

In this thesis report, we introduce a pioneering concept in 3D printing applied to biological applications. The 3D-FlowPrint platform has been devised to execute high-resolution prints using multiple materials. This approach addresses the current limitations inherent in existing technologies. Micro-extrusion, stereolithography, and microfluidic probes possess individual capabilities to handle heterogeneous objects printing, achieve high resolutions, and manipulate fluids with precision. However, these capabilities have never been fully united in a proper technic. The 3D-FlowPrint platform draws inspiration from each of these concepts. It employs a microfluidic system to channel fluids to a submerged printhead, where the injected solution undergoes photopolymerization. By decoupling material deposition from polymerization, this platform attains both high resolution and the versatility to work with diverse materials.The heart of this platform resides in the design of its printhead. This printhead enables fluid injection and retrieval without environmental contamination, while facilitating laser transmission through an integrated optical fiber. To achieve these goals, we have developed four successive generations of printheads. The first generation, machined and molded, demonstrated the feasibility of the concept but presented room for improvement. The second generation, entirely 3D printed, introduced new geometric possibilities and rapid prototyping but faced challenges with optical interfaces. The third generation combined 3D printing with optically compatible material assembling. It enabled reproducible PEGDA prints to develop and characterize the platform, yet it encountered limitations for GelMA printing. The fourth generation overcame this challenge by introducing an air bubble under the printhead, resolving third-generation issues.This manuscript also analyzes the microfluidic system. The printheads operate immersed, enabling printing in cultured environments. These heads include an injection channel and an aspiration channel, along with surface reliefs ensuring complete collection of the injected solution to minimize contamination. Utilizing finite element-based numerical simulations, phase diagrams have been established to evaluate the material collection capacity. These simulations guided the optimization of surface reliefs to enhance the performance of the printheads. Additionally, the ability to transition from one fluid to another in multi-material printing was analyzed.The introduction of an optical fiber between the microfluidic channels allowed the photopolymerization of the injected solution. The platform gained versatility with dual printing speeds enabled by the insertion of two optical fibers in the 3D printed printheads. Photopolymerization thresholds of PEGDA and GelMA were investigated, and the impact of in-flow photopolymerization was verified. These analyses culminated in the printing of 2D, 2.5D, 3D, and multi-material structures with reproducible precision down to 7 micrometers.Serving as proof of concept for biological applications, the platform was employed in four distinct approaches. First, PEGDA objects prevented cell adhesion on specific part of the substrate, enabling the study of geometrically constrained development. Second, scaffold structures for surfacic 3D tissues were printed. Third, the printing of suspension of cells in GelMA was achieved, along with the characterization of cellular viability using this method. Lastly, a hybrid platform was developed for co-printing hydrogels and positioning 3D spheroids.