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Ludovic Hallo
Candice Mezel, Agnès Souquet,
Jérôme Breil
Journée de l’Institut de Physique Fondamentale13 novembre 2008
Projection de cellules vivantes par procédé laserDispositif expérimental et modélisation
LASER
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CollaborationDominique Descamps, Vladimir TikhonchukCELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France
Olivier SautInstitut de Mathématiques de BordeauxUniversité 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
Fabien Guillemot, Reine BareilleINSERM U577 – Biomatériaux et Réparation TissulaireUniversité Bordeaux 2, France
John Lopez, Marc FauconALPHANOV Centre Technologique Optique et LasersUniversité Bordeaux 1, France
Pere Serra, Martí DuocastellaDepartment of Applied Physics and OpticsUniversitat de Barcelona, Espagne
Antoine Bourgeade, David HébertCEA CESTA, Le Barp, France
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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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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)
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Différents Régimes de Transfert
Régime sous-seuil Régime éjection
Impulsion laser
Film Liquide(eau)
Couchetransparente
Poche devapeur
Vapeurdétendue
Liquideéjecté
Couche absorbante(ablateur)
Matièreablaté
Régime de contact
Modèle proposé :
Processus élémentaires du LIFTMécanismes d’éjection d’une bulle de liquide
I. Zergioti et al. , Appl. Surf. Sci. 127-129, 601 (1998)
Plots de CrCu sur Silice
10 µm
J. Bohandy et al.J. Appl. Phys. 63, 1158 (1988)
Formation d’un jet
Processus élémentaires du LIFT
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 ExpérimentaleBut :
Réaliser des Transferts de biomatériaux et de cellules dans les meilleures conditions
Moyens :
• 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
INSERM U577ALPhANOV
• 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
Objectifs:
• Imprimer des matrices de transfert reproductiblesImprimer 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
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TRANSFERT D’HYDROGEL
RESULATS EXPERIMENTAUX
• 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
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
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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 = 2.106 cellules/lame
Cellules Endothéliales
+ Les gouttes contiennent des cellules
- Forte Fluence Déformation des gouttes et éclaboussures
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Pourquoi une telle mortalité cellulaire ?
Plusieurs hypothèses : - Dommage cellulaire dû à une fluence trop élevée
- Débris d’or 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
13Hydrogel → Eau
Modélisation en régime nanoseconde
Substrat receveur
Air
Eau
Silice
Laser
Couche
d’or
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Modèle physico-numérique
• Propagation de l’onde laser
• Conservation de la masse
• Quantité de mouvement
• Energie
laserieeieeee PTTTKuPdt
dE
.
.ii i i ei e i
dEP u K T T T
dt
2
2
22
2
t
E
cx
E
0. udt
d
0 ie PPdt
ud
15
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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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
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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
Modélisation nanosecondeProcessus de formation du jet (2D)
1.35 mus 13.85 mus
26.35 mus 41 mus
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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
ExplosionDe vapeur
Jet
JetBulle Liquide jet
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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 eVIonisation à 6 photons6 = 9,8 10-70 s-1 (cm2/W)6
Ith = 26 TW/cm2
Pcr = 1.98 MW
= 1 g/cm3
Ugap = 6,5 eVIonisation à 4 photons4 = 4.635 10-61 s-1 (cm2/W)4
Ith = 1,5 TW/cm2
Pcr = 1.87 MW
La puissance nécessaire à l’ionisation est faible
Modélisation en régime femtoseconde
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Estimation de la puissance dans le plan focal
Energie laser absorbée
Puissance critique
0 <
Longueur d’onde: = 800 nmEnergie: E = 30 nJDurée = 100 fsWaist: 0 = 0.3 m
Longueur de Rayleigh = 0.35 m
Ifoc = 90 TW/cm2, Pfoc ≈ 0.3 MW Pcr=
λ2
2π n0n2≈2 MW
Paramètres
RL=πω0
2
λ
Surface focale Sfoc = π0RL= 0.33 m2
Ith = 26 TW/cm2
Un plasma est formé au sein de la matière (absorbant comme un métal)
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Equations de Maxwell couplées à un modèle d’ionisation
Propagation laser et absorption
Evolution de la densité et de l’énergie
laser Équations de Maxwell
currentionisation
current electronic0
1mpiJJB
dt
De
Et
B
eenet nntnItn colrec
66
1)()(
)()(
)(2
3.)( tnU
tntTkEJtUW ecolgap
rec
eeBempigapet
24
Énergie laser absorbée
= 800 nm0 = 0.3 m = 100 fs
Elaser = 5.6 nJ
Emax = 5 109 J/m3Emax = 1.2 1010 J/m3
Elaser = 22.4 nJ
Elaser = 50.5 nJ
Emax = 1.1 1010 J/m3
2525
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
13.2 ns
Rayon maximum de cavité
5 ns
Choc divergent, déformation de la face arrière
Formation d’une « cavité »
7.5 ns
= 800 nm0 = 0.3 m = 100 fsElaser = 50.5 nJ
Collapse de la cavité et formation d’un jet
500ps1 m
27
= 800 nm0 = 0.3 m= 100 fsElaser = 50.5 nJ
Séquence de formation du jet hydrodynamique
Pression
Densité
28
Influence de la variation de l’énergie déposée
Jet
JetJet, et collapse
0.5 El 0.75 El El
1.5 El 2 El
Processus essentiellementHydrodynamiqueFaible sensibilité à unesur-énergie laser
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Influence de la position du recul de la zone de dépôtDepôt -1 mum Depôt -0.5 mum
Depôt initial Depôt +0.5 mum
Collapse Jet
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 -> NouveauLa formation du jet est similaire au processus nsBonne maîtrise de l’absorption nécessaireBonne maîtrise de l’hydrodynamique indispensable(ALE, remaillage…)Nécessité de mise en place d’une démarche expérimentale