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Ludovic Hallo Candice Mezel, Agnès Souquet, Jérôme Breil Journée de lInstitut de Physique Fondamentale 13 novembre 2008 Projection de cellules vivantes.

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1 Ludovic Hallo Candice Mezel, Agnès Souquet, Jérôme Breil Journée de lInstitut de Physique Fondamentale 13 novembre 2008 Projection de cellules vivantes par procédé laser Dispositif expérimental et modélisation LASER

2 2 Collaboration Dominique Descamps, Vladimir Tikhonchuk CELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France Olivier Saut Institut de Mathématiques de Bordeaux Université Bordeaux 1, France Publications: C. Mézel et al, PoP (2008) E. Gamaly et al., Current Applied Physics (2008) L. Hallo, Conference New Models and Hydrocodes for Shock Wave processes in Condensed Matter, (Lisbonne 2008) L. Hallo et al., IFSA 07 L. Hallo et al., Phys. Rev. B 76, (2007) Journée IPF 13/11/2008 Fabien Guillemot, Reine Bareille INSERM U577 – Biomatériaux et Réparation Tissulaire Université Bordeaux 2, France John Lopez, Marc Faucon ALPHANOV Centre Technologique Optique et Lasers Université Bordeaux 1, France Pere Serra, Martí Duocastella Department of Applied Physics and Optics Universitat de Barcelona, Espagne Antoine Bourgeade, David Hébert CEA CESTA, Le Barp, France

3 3 Introduction Ingénierie Tissulaire Développer des substituts biologiques qui vont restaurer, maintenir ou améliorer la fonction des tissus BioPrinting Utiliser des cellules et/ou des matériaux bioactifs comme blocs de construction pour fabriquer des produits thérapeutiques nouvelle génération à base de cellules et biomatériaux et des systèmes biologiques. Applications Dépôt de cellules sur des prothèses Préfonctionnalisation – Micropatterning de biomateriaux GIS Biomatériaux pour la santé U 577 – CELIA …

4 4 Dispositif expérimental : Laser impulsionnel Cible avec biomatériau Substrat receveur Cible 2 ou 3 couches : Support transparent à laser Couches de transferts Couche optionnelle absorbante LIFT modifié : MAPLE-DW ** AFA-LIFT *** & BioLP **** ** MAPLE-DW : Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation Direct Write *** AFA-LIFT : Absorbing Film-Assisted LIFT **** BioLP : Biological Laser Printing Procédé de transfert par laser : Laser Induced Forward Transfer (LIFT)

5 5 Différents Régimes de Transfert Régime sous-seuil Régime éjection Impulsion laser Film Liquide (eau) Couche transparente Poche de vapeur Vapeur détendue Liquide éjecté Couche absorbante (ablateur) Matière ablaté Régime de contact Modèle proposé :

6 Processus élémentaires du LIFT Mécanismes déjection dune bulle de liquide I. Zergioti et al., Appl. Surf. Sci , 601 (1998) Plots de Cr Cu sur Silice 10 µm J. Bohandy et al. J. Appl. Phys. 63, 1158 (1988)

7 Formation dun jet Processus élémentaires du LIFT Plots dAluminium D.A. Willis and V. Grosu, Appl. Phys. Lett. 86, (2005) Journée IPF 13/11/2008

8 8 Approche Expérimentale But : Réaliser des Transferts de biomatériaux et de cellules dans les meilleures conditions Moyens : Laser Nd:YAG pompé par diode 1064 nm Durée de limpulsion : 30 ns Fréquence : 5 kHz Fluence : 80 à 200 mJ/cm² Distance de transfert : 300 µm INSERM U577 ALPhANOV Laser Nd:YVO4 pompé par diode 1064 nm Durée de limpulsion : 30 ns Fréquence : 20 kHz Fluence : 0.6 à 1 J/cm² Distance de transfert : 1 mm Objectifs: Imprimer des matrices de transfert reproductibles Imprimer des matrices de transfert reproductibles Trouver les meilleurs paramètres optiques pour minimiser les dommages cellulaires Trouver les meilleurs paramètres optiques pour minimiser les dommages cellulaires

9 9 TRANSFERT DHYDROGEL RESULATS EXPERIMENTAUX Maîtrise de la taille des éjecta Résultats reproductibles Détermination des paramètres tels que : - la vitesse des scanners - la fluence laser - lentrefer - lépaisseur de la matrice dhydrogel - … f = 5 kHz F = 134 mJ/cm²

10 10 Impression de [3H]-Lysine sur du PET préfonctionnalisé observée au beta-imager Transfert de peptide sur un Biomatériau f = 20 kHz F = 1.3 J/cm² e= 800 µm TRANSFERT D ELEMENTS BIOLOGIQUES

11 11 Transfert de cellules Impression sur une lame de verre de cellules endothéliales EA-hy 926 marquées au Dil-Ac-LDL observées au microscope optique f = 20 kHz F = 1.2 J/cm² e= 1 mm C = cellules/lame Cellules Endothéliales + Les gouttes contiennent des cellules - Forte Fluence Déformation des gouttes et éclaboussures

12 12 Pourquoi une telle mortalité cellulaire ? Plusieurs hypothèses : - Dommage cellulaire dû à une fluence trop élevée - Débris dor nocif - Influence du type cellulaire Cellules Ostéoblastiques Ostéoblastes MG63 marquées au test Live-Dead Cellules Epithéliales Résultats similaires aux cellules endothéliales f = 5 kHz F = qq 100 mJ/cm² e= 300 µm Compréhension des mécanismes, paramètres, physiques : modélisation du CELIA

13 13 Hydrogel Eau Modélisation en régime nanoseconde Substrat receveur Air Eau Silice Laser Couche dor

14 14 Modèle physico-numérique Propagation de londe laser Conservation de la masse Quantité de mouvement Energie

15 15 Analyse des processus Chauffage homogène de la couche dor ( = épaisseur de peau) Hydrogel et Silice restent à température ambiante Dépôt dénergie laser provoque un choc dans lor qui se propage dans leau Les ondes de détente mettent en vitesse la couche deau éjection !

16 16 Paramètres étudiés : Vitesse, pression, température, densité - en fonction du temps pour différentes mailles caractéristiques - en fonction de la position pour différents temps caractéristiques Résultats nanosecondes, 1D Simulation pour : - une impulsion de 30 ns FWHM - une fluence de 100 mJ/cm²

17 17 Résultats nano 2D et comparaison aux résultats de Marti Duocastella M. Duocastella et al. Appl. Phys. A, 93 (2), , 2008

18 Modélisation nanoseconde Processus de formation du jet (2D) 1.35 mus13.85 mus mus 41 mus

19 19 Modélisation nanoseconde Variation du flux laser (t=23.9 mus) 2 * Flux laser nominal 1.5 * Flux laser nominalFlux laser nominal 4 * Flux laser nominal Explosion De vapeur Jet Bulle Liquide jet

20 20 Modélisation en régime femtoseconde - Plus dablateur, on tire dans lhydrogel - mécanismes hydrodynamiques semblables, Ou même plus simples (temps acoustique >> temps laser) Difficulté nouvelle : leau est transparente au visible ! Notion de gap pour créer des électrons libres…

21 21 SiliceEau = 2,2 g/cm 3 U gap = 9 eV Ionisation à 6 photons 6 = 9, s -1 (cm 2 /W) 6 I th = 26 TW/cm 2 P cr = 1.98 MW = 1 g/cm 3 U gap = 6,5 eV Ionisation à 4 photons 4 = s -1 (cm 2 /W) 4 I th = 1,5 TW/cm 2 P cr = 1.87 MW La puissance nécessaire à lionisation est faible Modélisation en régime femtoseconde

22 22 Estimation de la puissance dans le plan focal Energie laser absorbée Puissance critique 0 < Longueur donde: = 800 nm Energie: E = 30 nJ Durée = 100 fs Waist: 0 = 0.3 m Longueur de Rayleigh = 0.35 m I foc = 90 TW/cm 2, P foc 0.3 MW Paramètres Surface focale S foc = π 0 R L = 0.33 m 2 I th = 26 TW/cm 2 Un plasma est formé au sein de la matière (absorbant comme un métal)

23 23 Equations de Maxwell couplées à un modèle dionisation Propagation laser et absorption Evolution de la densité et de lénergie laser Équations de Maxwell

24 24 Énergie laser absorbée = 800 nm 0 = 0.3 m = 100 fs E laser = 5.6 nJ E max = J/m 3 E max = J/m 3 E laser = 22.4 nJ E laser = 50.5 nJ E max = J/m 3

25 25 Simulations hydrodynamiques Conditions initiales : dépôt dénergie Maxwell + ionisation (qq centaines de fs) Code hydro 2D - 2 températures Ti, Te - Ionisation à léquilibre - Equipartition électrons-ions - Conduction thermique - Grille mobile Lagrangienne - Non structuré, ALE - Equations dEtats Tabulées (SESAME et Equations maison)

26 26 Séquence hydrodynamique après le dépôt 13.2 ns Rayon maximum de cavité 5 ns Choc divergent, déformation de la face arrière Formation dune « cavité » 7.5 ns = 800 nm 0 = 0.3 m = 100 fs E laser = 50.5 nJ Collapse de la cavité et formation dun jet 500ps 1 m

27 27 = 800 nm 0 = 0.3 m = 100 fs Elaser = 50.5 nJ Séquence de formation du jet hydrodynamique Pression Densité

28 28 Influence de la variation de lénergie déposée Jet Jet, et collapse 0.5 El0.75 El El 1.5 El2 El Processus essentiellement Hydrodynamique Faible sensibilité à une sur-énergie laser

29 29 Influence de la position du recul de la zone de dépôt Depôt -1 mum Depôt -0.5 mum Depôt initialDepôt +0.5 mum Collapse Jet Jet diphasique

30 30 Conclusion et perspectives LIFT : Premiers résultats expérimentaux nano « aquitains » Interprétation hydrodynamique en régime nanoseconde Comparaison expérimentale encourageante Analyse de la sensibilité du processus au paramètre flux laser Chaîne de calcul prédictive en cours de validation Comparaison à dautres dispositifs (Or, Titane…) « NanoLift «: Premiers résultats de modélisation -> Nouveau La formation du jet est similaire au processus ns Bonne maîtrise de labsorption nécessaire Bonne maîtrise de lhydrodynamique indispensable (ALE, r lage…) Nécessité de mise en place dune démarche expérimentale


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