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Ludovic Hallo Candice Mezel, Agnès Souquet, Jérôme Breil

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LASER. Projection de cellules vivantes par procédé laser Dispositif expérimental et modélisation. Ludovic Hallo Candice Mezel, Agnès Souquet, Jérôme Breil. Journée de l’Institut de Physique Fondamentale 13 novembre 2008. Collaboration. Dominique Descamps, Vladimir Tikhonchuk

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Presentation Transcript
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LASER

Projection de cellules vivantes par procédé laser

Dispositif expérimental et modélisation

Ludovic Hallo

Candice Mezel, Agnès Souquet,

Jérôme Breil

Journée de l’Institut de Physique Fondamentale

13 novembre 2008

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Collaboration

Dominique Descamps, Vladimir Tikhonchuk

CELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France

Fabien Guillemot, Reine Bareille

INSERM U577 – Biomatériaux et Réparation Tissulaire

Université Bordeaux 2, France

Antoine Bourgeade, David Hébert

CEA CESTA, Le Barp, France

Pere Serra, Martí Duocastella

Department of Applied Physics and Optics

Universitat de Barcelona, Espagne

John Lopez, Marc Faucon

ALPHANOV Centre Technologique Optique et Lasers

Université Bordeaux 1, 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, 024101 (2007)

Journée IPF 13/11/2008

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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 …

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Procédé de transfert par laser :Laser Induced Forward Transfer (LIFT)‏

  • 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

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Matière

ablaté

Impulsion laser

Couche

transparente

Couche absorbante

(ablateur)‏

Film

Liquide

(eau)‏

Vapeur

détendue

Liquide

éjecté

Poche de

vapeur

Différents Régimes de Transfert

Modèle proposé :

Régime de contact

Régime éjection

Régime sous-seuil

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10 µm

Processus élémentaires du LIFT

Mécanismes d’éjection d’une bulle de liquide

Cu sur Silice

Plots de Cr

J. Bohandy et al.

J. Appl. Phys. 63, 1158 (1988)‏

I. Zergioti et al. , Appl. Surf. Sci. 127-129, 601 (1998)‏

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Processus élémentaires du LIFT

Formation d’un jet

Plots d’Aluminium

D.A. Willis and V. Grosu , Appl. Phys. Lett. 86, 244103 (2005)‏

Journée IPF 13/11/2008

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Approche Expérimentale

ALPhANOV

INSERM U577

  • Laser Nd:YVO4 pompé par diode
  • 1064 nm
  • Durée de l’impulsion : 30 ns
  • Fréquence : 20 kHz
  • Fluence : 0.6 à 1 J/cm²
  • Distance de transfert : 1 mm
  • Laser Nd:YAG pompé par diode
  • 1064 nm
  • Durée de l’impulsion : 30 ns
  • Fréquence : 5 kHz
  • Fluence : 80 à 200 mJ/cm²
  • Distance de transfert : 300 µm

But :

Réaliser des Transferts de biomatériaux et de cellules dans les meilleures conditions

  • Objectifs:
  • Imprimer des matrices de transfert reproductibles
  • Trouver les meilleurs paramètres optiques pour minimiser les dommages cellulaires

Moyens :

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RESULATS EXPERIMENTAUX

TRANSFERT D’HYDROGEL

  • Maîtrise de la taille des éjecta
  • Résultats reproductibles
  • Détermination des paramètres tels que :

- la vitesse des scanners

- la fluence laser

- l’entrefer

- l’épaisseur de la matrice d’hydrogel

- …

f = 5 kHz

F = 134 mJ/cm²

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TRANSFERT D’ ELEMENTS BIOLOGIQUES

Transfert de peptide sur un Biomatériau

Impression de [3H]-Lysine sur du PET préfonctionnalisé observée au beta-imager

f = 20 kHz

F = 1.3 J/cm²

e= 800 µm

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Transfert de cellules

  • Cellules Endothéliales

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 = 2.106 cellules/lame

+ Les gouttes contiennent des cellules

- Forte Fluence  Déformation des gouttes et éclaboussures

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Cellules Epithéliales

→ Résultats similaires aux cellules endothéliales

  • Cellules Ostéoblastiques

f = 5 kHz

F = qq 100 mJ/cm²

e= 300 µm

Ostéoblastes MG63 marquées au test Live-Dead

Pourquoi une telle mortalité cellulaire ?

Plusieurs hypothèses : - Dommage cellulaire dû à une fluence trop élevée

- Débris d’or nocif

- Influence du type cellulaire

Compréhension des mécanismes, paramètres, physiques :

modélisation du CELIA

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Modélisation en régime nanoseconde

Laser

Silice

Couche

d’or

Eau

Air

Substrat receveur

Hydrogel → Eau

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Modèle physico-numérique

  • Propagation de l’onde laser
  • Conservation de la masse
  • Quantité de mouvement
  • Energie
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Analyse des processus

  • Chauffage homogène de la couche d’or ( = épaisseur de peau)‏
  • Hydrogel et Silice restent à température ambiante
  • Dépôt d’énergie laser provoque un choc dans l’or qui se propage dans l’eau
  • Les ondes de détente mettent en vitesse la couche d’eau  éjection !
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Résultats nanosecondes, 1D

Paramètres étudiés :

Vitesse, pression, température, densité

- en fonction du temps pour différentes mailles caractéristiques

- en fonction de la position pour différents temps caractéristiques

Simulation pour :

- une impulsion de 30 ns FWHM

- une fluence de 100 mJ/cm²

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Résultats nano 2D et comparaison aux résultats de Marti Duocastella

M. Duocastella et al.

Appl. Phys. A, 93 (2), 453-456, 2008

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Modélisation nanoseconde Variation du flux laser (t=23.9 mus)

Flux laser nominal

1.5 * Flux laser nominal

Jet

Bulle

Liquide

jet

2 * Flux laser nominal

4 * Flux laser nominal

Jet

Explosion

De vapeur

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Modélisation en régime femtoseconde

- Plus d’ablateur, on tire dans l’hydrogel

- mécanismes hydrodynamiques semblables,

Ou même plus simples (temps acoustique >> temps laser)‏

Difficulté nouvelle : l’eau est transparente au visible !

Notion de gap pour créer des électrons libres…

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Silice

Eau

  • = 2,2 g/cm3

Ugap = 9 eV

Ionisation à 6 photons

6 = 9,8 10-70 s-1 (cm2/W)6

Ith = 26 TW/cm2

Pcr = 1.98 MW

  • = 1 g/cm3

Ugap = 6,5 eV

Ionisation à 4 photons

4 = 4.635 10-61 s-1 (cm2/W)4

Ith = 1,5 TW/cm2

Pcr = 1.87 MW

Modélisation en régime femtoseconde

La puissance nécessaire à l’ionisation est faible

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0 < 

Ifoc = 90 TW/cm2, Pfoc≈ 0.3 MW

Un plasma est formé au sein de la matière

(absorbant comme un métal)

Estimation de la puissance dans le plan focal

Energie laser absorbée

Paramètres

Longueur d’onde:  = 800 nm

Energie: E = 30 nJ

Durée  = 100 fs

Waist: 0 = 0.3 m

Longueur de Rayleigh = 0.35 m

Puissance critique

Surface focale Sfoc = π0RL= 0.33 m2

Ith = 26 TW/cm2

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laser

Propagation laser et absorption

Equations de Maxwell couplées à un modèle d’ionisation

Équations de Maxwell

Evolution de la densité et de l’énergie

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Elaser = 50.5 nJ

 = 800 nm

0 = 0.3 m

 = 100 fs

Emax = 1.1 1010 J/m3

Elaser = 5.6 nJ

Elaser = 22.4 nJ

Emax = 5 109 J/m3

Emax = 1.2 1010 J/m3

Énergie laser absorbée

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Simulations hydrodynamiques

Conditions initiales :

dépôt d’énergie Maxwell + ionisation (qq centaines de fs)‏

  • Code hydro 2D
  • - 2 températures Ti, Te
  • - Ionisation à l’équilibre
  • - Equipartition électrons-ions
  • Conduction thermique
  • Grille mobile “Lagrangienne”
  • Non structuré, ALE
  • Equations d’Etats Tabulées (SESAME et Equations “maison”)‏

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Séquence hydrodynamique après le dépôt

1 m

5 ns

500ps

7.5 ns

13.2 ns

 = 800 nm

0 = 0.3 m

  • = 100 fs

Elaser = 50.5 nJ

Formation d’une « cavité »

Choc divergent, déformation

de la face arrière

Rayon maximum de cavité

Collapse de la cavité et formation d’un jet

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Séquence de formation du jet hydrodynamique

 = 800 nm

0 = 0.3 m

  • = 100 fs

Elaser = 50.5 nJ

Pression

Densité

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Influence de la variation de l’énergie déposée

0.5 El

0.75 El

El

Jet, et collapse

Jet

1.5 El

2 El

Processus essentiellement

Hydrodynamique

Faible sensibilité à une

sur-énergie laser

Jet

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Influence de la position du recul de la zone de dépôt

Depôt -1 mum

Depôt -0.5 mum

Collapse

Jet

Depôt initial

Depôt +0.5 mum

Jet

Jet diphasique

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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 d’autres dispositifs (Or, Titane…)

« NanoLift «: Premiers résultats de modélisation -> Nouveau

La formation du jet est similaire au processus ns

Bonne maîtrise de l’absorption nécessaire

Bonne maîtrise de l’hydrodynamique indispensable

(ALE, remaillage…)

Nécessité de mise en place d’une démarche expérimentale

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