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Ludovic Hallo Candice Mezel, Agnès Souquet, Jérôme Breil

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

  1. 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

  2. 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

  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. 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

  5. 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

  6. 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)‏

  7. 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

  8. 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 :

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. Modélisation en régime nanoseconde Laser Silice Couche d’or Eau Air Substrat receveur Hydrogel → Eau

  14. Modèle physico-numérique • Propagation de l’onde laser • Conservation de la masse • Quantité de mouvement • Energie

  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 !

  16. 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

  17. Résultats nano 2D et comparaison aux résultats de Marti Duocastella M. Duocastella et al. Appl. Phys. A, 93 (2), 453-456, 2008

  18. Modélisation nanosecondeProcessus de formation du jet (2D) 1.35 mus 13.85 mus 41 mus 26.35 mus

  19. 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

  20. 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…

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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”)‏ 25

  26. 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

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

  28. 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

  29. 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

  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 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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