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WO2022269187A1 - Equipement d'impression additive par laser mid ir - Google Patents

Equipement d'impression additive par laser mid ir Download PDF

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Publication number
WO2022269187A1
WO2022269187A1 PCT/FR2022/051206 FR2022051206W WO2022269187A1 WO 2022269187 A1 WO2022269187 A1 WO 2022269187A1 FR 2022051206 W FR2022051206 W FR 2022051206W WO 2022269187 A1 WO2022269187 A1 WO 2022269187A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
equipment according
printed
donor
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2022/051206
Other languages
English (en)
Inventor
Bertrand Viellerobe
Antonio IAZZOLINO
Fabien Guillemot
Dan Soto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Poietis SAS
Original Assignee
Poietis SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Poietis SAS filed Critical Poietis SAS
Priority to EP22744258.9A priority Critical patent/EP4359194A1/fr
Publication of WO2022269187A1 publication Critical patent/WO2022269187A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
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    • B29C64/273—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB] pulsed; frequency modulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to the field of bio-printing, based on a brick-by-brick reconstruction of a fabric. These methods offer the possibility of arranging each component according to a predefined pattern which guides the subsequent maturation of the tissue construct towards its final functional architecture. Cell distribution can be defined at the micrometric scale. Layer-by-layer control of the distribution of cells and extracellular matrix components within the matrix promotes tissue maturation. Bio-printing benefits from the capabilities of rapid prototyping, facilitated by computer-aided design and/or manufacturing procedures (CAD and CAM respectively), which control the geometry of the internal structure and the external shape of the cellular scaffolds during their impression.
  • CAD and CAM computer-aided design and/or manufacturing procedures
  • Bioprinters based on LIFT (laser-induced forward transfer) technology are composed of three elements: a laser source, generally pulsed, focused on the material to be printed, a donor on which the biological material to be printed is based, and a receiver/target receiver substrate which collects the printed material.
  • LIFT laser-induced forward transfer
  • the donor is composed of a support transparent to the laser (for example glass or quartz) coated with a thin "sacrificial" absorbent metallic layer generally composed of gold or titanium.
  • the organic component molecules or cells
  • a liquid phase for example a culture medium, serum or even a solution of polymer-type biomaterial
  • the laser pulse induces an energy concentration at the metal-liquid interface to be printed, leading to the creation of a cavitation bubble which causes a deformation of the interface of the liquid film located above until the production of a jet. This allows the deposition of droplets on the receiving substrate located opposite the support on which the ink is located.
  • This method makes it possible to deposit cells or biomaterials over a very wide range of sizes and at speeds that can reach several thousand drops/s. Thanks to a resolution that can go down to a few tens of picoliters, laser-assisted bio-printing makes it possible to finely control the cell density and the spatial organization of the 3D printing with great precision. In principle, it makes it possible to individually control the printing of each cell and therefore to exert control of an unprecedented level of the distribution of these in the printed fabric.
  • this emerging technology is suitable for the manufacture of structures which not only mimic the structural organization of native tissues, but are also capable of developing a physiological functionality close to that of their native counterparts.
  • This method also has advantages such as the ability to be automated, the reproducibility and the high throughput of the deposition of the constituent elements of the tissue, which make it possible to envisage the manufacture of 3D constructions of relevant sizes on the physiological and therefore clinical level.
  • the use of a sacrificial layer has several drawbacks, including that of the permanent local ablation of the metal following the laser firing, requiring a frequent change of the substrate supporting the ink and therefore repeated interruptions in the printing sequence of a fabric to renew said substrate.
  • Patent US10940687B2 illustrates an embodiment of the prior art.
  • a laser emitting a beam with a wavelength of 700 nanometers uses a laser emitting a beam with a wavelength of 700 nanometers.
  • a standard LIFT process is described in French patents FR3030360B1 or FR3087702B1 or FR3063930B1.
  • the laser is directed upwards, and the energy provided locally by the laser pulse is intended to create a cavitation bubble from the plasma generated on the sacrificial layer propelling a biological element towards the target, with enough kinetic energy to overcome gravity and surface tension.
  • the substrates must be renewed regularly, which represents both a cost in time and money.
  • particles of the metallic sacrificial layer can be brought to the target by means of the jets and drops generated.
  • the invention here describes a LIFT printing method without recourse to a sacrificial layer ensuring good reproducibility of the jets generated and compatibility with the printing of living cells for the production of 3D tissues.
  • the invention is based on the use of a laser in the field of the IR medium around 2.9 ⁇ m allowing direct linear absorption of the ink liquid for carrying out an efficient and reproducible LIFT process. State of the art
  • the laser-matter interaction is very sensitive to the presence of objects such as cells for example in the absorption zone with the consequence of significant variations in the sizes and height of the jets generated, and hence a quality and random reproducibility of printed patterns.
  • the nonlinear absorption domain is therefore limited in its ability to imprint colloidal media.
  • the focusing of the energy must be perfectly controlled and correctly positioned either in very low ink thicknesses (of the order of a few tens of microns) or in very precise positions under the surface of the liquid. This results in extremely complex systems that are difficult to industrialize or transfer for large-scale applications. [0007] This patent also mentions the fact of working in linear absorption to circumvent the problems of reproducibility mentioned above.
  • the transfer carrier has no absorber layer.
  • the transfer material layer preferably serves as an absorber layer.
  • IR laser beam sources with > 3 pm wavelength are preferably used. ". It therefore describes the use of a wavelength greater than 3 ⁇ m to achieve direct absorption of the laser used by the medium. No details about the process of creating the bubble and the jet are described there. It therefore does not constitute a sufficient description for carrying out the present invention, knowing that the wavelength range proposed is different from that defended by the present invention.
  • shock waves and cavitation bubbles are studied using the technique of ombroscopy and acoustic measurements.
  • the conversion into shock wave energy reaches 67%.
  • Most of the shock wave energy (92%) is dissipated as the shock front travels the first 250 pm, and the remaining 8% is transferred to the acoustic far field.
  • the results of the article can be used for the optimization of the laser parameters to carry out micro-machining or the ablation of biological tissues.
  • the article does not describe a LIFT type process for material transfer but a linear absorption process in a liquid to generate cavitation bubbles.
  • Bio-printing solutions by LIFT can also use a specific interaction layer for the laser but which is not metallic.
  • BA-LIFT blister assisted LIFT
  • LIFT based on the use of a gelatin layer for example. In all cases, this layer plays the role of an actuator which deforms to allow the creation of the jet.
  • the sacrificial nature of the metal layer represents the main drawback of standard laser bio-printing because the donor has a limited use time related to the definitive ablation of the metal following the laser shot.
  • the change of donor is therefore necessarily recurrent and time-consuming, which is potentially prohibitive for use in bio-printing where the manufacturing time of the tissues is critical for their viability.
  • it requires significant user stress depending on the number of cell impressions to be made and therefore the number of donor changes to manufacture a tissue.
  • Another limitation of the sacrificial layers relates to the quality of the metal layer deposited on the glass. Indeed, the latter may suffer from weak adhesion of the gold to the glass, from a variation in the thickness of the metal on the glass surface or even from variation in the method of depositing the metallic film.
  • the direct consequence is a disparity of the jets generated since the initial conditions are not identical at any point of the donor. It may also result in delamination of the metal layer during use. The consequence is a loss of print quality or even the obligation to start a new print.
  • Another known limit lies in the period of validity of the metallization state sacrificial layers, a state which must not change over time in order to ensure high reproducibility of the printing process.
  • the present invention relates, in its most general sense, to additive printing equipment comprising: a pulsed laser source producing a beam and focused on the material to be printed, a donor to from which a biological material is imprinted, and a target recipient substrate which collects the imprinted material.
  • Said donor being constituted by a coated plate, in the interaction zone of the beam laser, by a liquid film intended to contain transferable inhomogeneities, characterized in that said laser emits a beam whose wavelength is between 2 pm and 3.2 pm, said plate being transparent or weakly absorbing at the wavelength of said laser beam.
  • the absorption of the laser in the wavelength range between 2 and 3.2 ⁇ m is proportional to the quantity of liquid present at the level of the illumination plane, one then speaks of linear absorption.
  • the preferred wavelength is around 2.9pm because it corresponds to the highest liquid absorption peak as can be seen in Figure 2.
  • the advantage of linear direct absorption is to open up a new field absorption corresponding to small laser energies making it possible to create small bubbles and therefore small jets, in a regime where the bubble and the jet generated are sufficient to make an impression.
  • printing at 2.9pm opens the way to a wide range of printed drop sizes from picolitre to nanolitre.
  • Direct absorption means that there is no intermediate element or process in the interaction between the laser and the liquid medium. In fact, there are no absorbent elements added to the solution, nor a metallic sacrificial layer which makes it possible to initiate absorption, nor complex optical effects, nor physico-chemical or electromagnetic effects to initiate absorption. 'absorption. This is carried out directly by absorption of the liquid whether it is aqueous (water molecules) or non-aqueous (polymers in solution, etc.).
  • Total absorption means that there is no residual photon of the laser after a certain thickness through which said laser passes in the fluid to be printed. This thickness has been estimated experimentally and is less than 5 ⁇ m.
  • the fluid present in this small thickness plays a role equivalent to that of a sacrificial layer without really being so. It makes it possible in particular to confine the absorption of the laser to the liquid-substrate interface, over an area of a few microns, as is usually done with a metallic sacrificial layer which is generally a few tens of nanometers. This makes it possible to obtain a positioning of the cavitation bubble similar to that obtained conventionally by creating a plasma within a sacrificial layer.
  • the dynamics of the bubble and the jet are very similar to those of a system based on the use of a sacrificial layer with the advantage of being able to reuse the donor as many times as necessary since the quantity of liquid present in this one is important and renewable.
  • the total absorption of the laser on the first microns of the liquid ensures protection of the rest of the liquid with respect to the photons used and therefore the cells which are there. It is a very interesting alternative for cell viability compared to other solutions where UV (ionizing) lasers are used to make laser bio-printing for example.
  • Another advantage is that absorption can be viewed as a 2D process that requires less precision for positioning the laser focal plane.
  • Printing at 2.9 ⁇ m is therefore based on the interaction of the laser with a few ⁇ m of thickness of a homogeneous fluid which guarantees high reproducibility of the laser-material interaction, resulting in high stability of the bubbles and jets generated. Such reproducibility is very important in the field of bio-printing, in particular for industrial and clinical purposes.
  • FR3063931A1 proposes an implementation where the ink to be printed enters and leaves the open printing zone of the donor by fluidic tubes.
  • the laser is fired into said open area which may be circular in shape (similar to what is practiced with conventional laser printing systems) or more special in shape such as a single or multiple fluidic channel.
  • the laser shots can be fired on the same point or on lines of points as many times as necessary without having to change the cartridge.
  • the present invention relates, in its most general sense, to additive printing equipment comprising: a pulsed laser source producing a beam and focused on the material to be printed, a donor without a sacrificial layer, from which a biological material is printed, and a target receiver substrate which collects the printed material.
  • Said donor being constituted by a covered plate, in the interaction zone of the beam laser, by a liquid film intended to contain transferable inhomogeneities, characterized in that the said laser emits a beam whose wavelength is between 2 ⁇ m and 3.2 ⁇ m, the said plate being transparent or weakly absorbing at the length of wave of said laser beam.
  • the emission wavelength of the laser has a peak at 2.9 pm ⁇ 0.3 pm
  • the thickness of the liquid in which the total absorption of the laser energy is achieved is order of a few microns and less than 5 ⁇ m
  • the focusing of the laser at the interface of the donor and the liquid can be modified so as to allow variation of the transverse size of the absorption zone with the effect of modulating the size of the bubbles and the jets generated and therefore drops deposited on the target laser printing at 2.9pm is perfectly suited to the use of a cartridge with continuous fluid refill a cartridge with continuous refill using a pre-wetting film could use technical ink pre-wetting as an absorbent medium for the wavelength at 2.9 pm the fluid is placed in a tank the impression is made from bottom to top in the opposite direction to the force of gravity
  • the performances associated with this equipment make it possible to ensure the following characteristics: the size of the cavitation bubble and the size of the associated jet are linearly dependent on the one hand on the laser energy used which is typically in the range from pJ to a few
  • the invention also relates to a method of additive printing by a pulsed laser source producing a beam in the direction of a donor without a sacrificial layer from which a biological material is printed, towards a receiving substrate which collects the printed material.
  • said donor being constituted by a plate covered, in the zone of interaction of the laser beam, by a film of liquid intended to contain transferable inhomogeneities, characterized in that said laser emits a beam whose wavelength is between 2 ⁇ m and 3.2 ⁇ m and in that said plate is transparent or weakly absorbent at the wavelength of said laser beam.
  • the fluid to be printed comes from a cartridge with continuous reloading.
  • the routing of the ink to the cartridge is automated to avoid any human intervention during the printing phase.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a LIFT system according to the invention working at 2.9pm
  • FIG. 2 Figure 2 shows the absorption spectrum of water
  • FIG. 3a represents a curve of the stability of the jets obtained by ombroscopy
  • FIG. 3b represents a curve of the jet height measured on 50 consecutive jets
  • FIG. 4 Figure 4 represents a curve of the dependence of jet heights as a function of time and laser energy
  • Figure 5 represents a graph of the characteristics of the drops printed on the receiver substrate as a function of the distance to the receiver
  • Figure 6 represents the geometry of the drops printed by the direct LIFT technique at 2.9 ⁇ m on a substrate without sacrificial layer. Description of a first example of equipment
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first example of equipment.
  • the laser (1) is a pulsed source in the nanosecond regime, the pulse duration of which is 10 ns, emitting between 2.6 ⁇ m and 3.2 ⁇ m in wavelength, in an energy regime capable of reaching 100pJ, with an adjustable rate of fire between 1Hz and 1OKHz.
  • the laser beam is shaped through an optical system (2) composed of two lenses in order to collimate it and give it the desired diameter.
  • the optical components must be made of ZnSe, CaF2, Infrasil or any other material compatible with use in the wavelength range of the IR medium (from 2 to 3.2 pm).
  • the scanner (3) ensures an angular orientation of the beam along two perpendicular axes. It is for example constituted by two mirrors actuated by an electromagnetic actuator, for example a scanner marketed by the company SCANLAB (trade name) under the reference “SCANcube 14”.
  • the mirrors of this scanner must be covered with a layer of gold to ensure total reflection of the laser in the wavelength range of the IR medium (from 2 to 3.2 ⁇ m).
  • the laser (1) is then focused by a dedicated focusing optical system (4) on the donor (5) on which the ink to be printed (6) is deposited.
  • a dedicated focusing optical system (4) on the donor (5) on which the ink to be printed (6) is deposited.
  • the focusing system in standard LIFT systems is based on complex optical systems called F-Theta with a large number of lenses.
  • F-Theta complex optical systems
  • Telecentric lens consisting of 2 custom-made lenses compatible with the 2.9pm wavelength (simpler and less expensive solution)
  • a 3D scanner type solution would be used where the focusing would be done before the scanner and would require the use of an adaptation along the Z direction of the focal length in the field targeted.
  • the film (6) is arranged opposite a target receiver substrate (7) sufficiently transparent to the wavelength of the laser to which the cells or particles are transferred, when a laser beam (1) is triggered. impulsive.
  • Figure 2 illustrates the absorption capacity of water as a function of the illumination wavelength and one can clearly see there the absorption peak at 2.9 pm targeted by the present invention in its implementation. particular work.
  • FIG. 3a represents the stability curve of the jets measured by a ombroscopy technique implemented in the example embodiment described in FIG. 1. It can easily be concluded that the height of the jets remains the same over a large number consecutive throws.
  • FIG. 3b represents the curve of the jet height measured over 50 consecutive jets from shadow data. It can be seen that the repeatability of the jet heights is greater than 90%. This stability is a guarantee of print reproducibility, an absolutely necessary characteristic for using bio-printing in the industrial or clinical field. It was obtained on the system described in figure 1.
  • FIG. 4 represents a curve of the dependence of the jet heights as a function of time and of the laser energy obtained with the system described in FIG. 1.
  • the direct dependence between energy and jet height is clearly observable and provides the proof of the linear character of the absorption at 2.9 pm.
  • the jets have a "lifetime" of a few hundred ps, which is standard in the field of LIFT. We are therefore on short printing times compatible with the printing of biological tissues which must remain viable during this phase.
  • FIG. 5 represents a graph of the characteristics of the drops printed on the receiver substrate as a function of the distance from said receiver in the context of the embodiment described in FIG. 1.
  • the size of the drops follows the same logic as that described in the jets, namely a linear dependence on the laser energy used and an ability to obtain reproducible sizes on a large scale.
  • Figure 6 is the final proof of the ability of the direct LIFT at 2.9 ⁇ m to print drops on a substrate without sacrificial layer with results obtained on the assembly described in Figure 1.
  • the printing relates to a homogeneous medium in this drawing. Similar results were obtained on colloidal media with microbeads or human cells. It illustrates the topography of the target after printing with four different energy levels. Description of a second example of equipment
  • the solution can be achieved without using a 2D or 3D scanner.
  • the optical line is simplified because it only integrates a beam shaping system and focusing optics.
  • the ink deposited at the level of the donor will be sufficiently disturbed by each laser shot resulting in a bubble then a jet to allow a form of renewal of the ink at the level of the zone of the laser shot.
  • This configuration can be imagined both in the case of a printing architecture from bottom to top in the direction opposite to the force of gravity as well as from top to bottom in the direction of gravity.
  • the donor may consist of a fluid film such as a reservoir.
  • the 2.9 ⁇ m wavelength of the laser beam does not allow the use of standard optics.
  • the optical components must therefore be based on other materials which are not absorbent at these wavelengths and which are more expensive. It is therefore preferable to use transparent materials such as CaF2 , ZnSe or Infrasil (trade name) even if it is also possible to use as donor substrate thin layers of silica at the cost of a loss of energy.
  • the lenses used are CaF2 lenses and the mirrors must be in protected gold.
  • the emission at 2.9 ⁇ m is characterized by strong absorption of this radiation by the water. This characteristic could then bring this type of radiation into the category of so-called eye safety lasers such as erbium lasers emitting at 1500 nm. It is therefore the cornea that absorbs this radiation.
  • the water absorption coefficient at 2.9 pm (10000 cm 4 ) is much greater than at 1.5 pm (30 cm -1 ), absorption therefore takes place over distances less than 2 to 3 pm from wavelength versus 700pm to 1.5pm wavelength. The risks of damage to the cornea are therefore greater at 3 pm than at 1.5 pm, but much less concerning the retina.
  • the optical system allowing the propagation of the laser beam to the donor comprises a 2D or 3D scanner making it possible to orient said laser beam in order to create a complete pattern of drops printed by scanning said laser beam on said donor whose surface is at least 0.5 cm2.
  • the optical system does not include a scanner and shoots directly on the donor, each shot making it possible to renew the interaction zone within said donor by the movements induced in the film of ink by the cavitation bubble and the jet.
  • the optical system is integrated into a module allowing humidity regulation.
  • the optical system is integrated in a closed enclosure in which a neutral gas has been introduced in order to avoid any absorption by water vapor
  • the size of the drops deposited is linearly dependent on the laser energy and the thickness of the fluid to be printed

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Abstract

La présente invention concerne le domaine de la bio-impression, fondée sur une reconstruction brique par brique d'un tissu. Ces méthodes offrent la possibilité de disposer chaque composant selon un patron prédéfini qui guide la maturation subséquente de la construction tissulaire vers son architecture fonctionnelle finale. La distribution des cellules peut être définie à l'échelle micrométrique. Le contrôle couche par couche de la distribution des cellules et des composants de la matrice extracellulaire dans la matrice favorise la maturation tissulaire. La bio-impression bénéficie des capacités du prototypage rapide, facilitée par des procédures de conception et / ou de fabrication assistée par ordinateur (respectivement CAO et FAO), qui contrôlent la géométrie de la structure interne et la forme externe des échafaudages cellulaires lors de leur impression.

Description

DESCRIPTION
Titre : EQUIPEMENT D'IMPRESSION ADDITIVE PAR LASER MID IR
Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne le domaine de la bio-impression, fondée sur une reconstruction brique par brique d'un tissu. Ces méthodes offrent la possibilité de disposer chaque composant selon un patron prédéfini qui guide la maturation subséquente de la construction tissulaire vers son architecture fonctionnelle finale. La distribution des cellules peut être définie à l'échelle micrométrique. Le contrôle couche par couche de la distribution des cellules et des composants de la matrice extracellulaire dans la matrice favorise la maturation tissulaire. La bio-impression bénéficie des capacités du prototypage rapide, facilitée par des procédures de conception et / ou de fabrication assistée par ordinateur (respectivement CAO et FAO), qui contrôlent la géométrie de la structure interne et la forme externe des échafaudages cellulaires lors de leur impression.
[0002] Les bio-imprimantes basées sur la technologie LIFT (laser-induced forward transfer) sont composées de trois éléments : une source laser, généralement pulsée, focalisée sur le matériel à imprimer un donneur sur lequel repose le matériel biologique à imprimer, et un substrat récepteur/ receveur cible qui recueille le matériel imprimé.
[0003] Dans les premières générations de bio-imprimantes, le donneur est composé d'un support transparent au laser (par exemple du verre ou du quartz) revêtu d'une mince couche métallique absorbante « sacrificielle » composée généralement d'or ou de titane. Le composant organique (molécules ou cellules) est préparé dans une phase liquide (par exemple un milieu de culture, du sérum ou encore une solution de biomatériau de type polymère) puis déposé à la surface dudit film métallique. L'impulsion laser induit une concentration énergétique à l'interface métal - liquide à imprimer, entraînant la création d'une bulle de cavitation qui engendre une déformation de l'interface du film liquide se trouvant au-dessus jusqu'à la production d'un jet. Celui-ci permet le dépôt de gouttelettes sur le substrat receveur situé en regard du support sur lequel est située l'encre. Cette méthode permet de déposer des cellules ou des biomatériaux sur une très large gamme de tailles et selon des vitesses pouvant atteindre plusieurs milliers de gouttes/s. Grâce à une résolution pouvant descendre à quelques dizaines de picolitres, la bio-impression assistée par laser permet de maîtriser finement la densité cellulaire et l'organisation spatiale de l'impression en 3D avec une grande précision. En principe, elle permet de contrôler individuellement l'impression de chaque cellule et donc d'exercer un contrôle d'un niveau sans précédent de la répartition de celles-ci dans le tissu imprimé.
[0004] Ainsi, cette technologie émergente est adaptée à la fabrication de structures qui non seulement miment l'organisation structurelle des tissus natifs, mais sont également susceptibles de développer une fonctionnalité physiologique proche de celle de leurs homologues natifs. Cette méthode présente aussi des avantages comme la capacité à être automatisée, la reproductibilité et le haut débit du dépôt des éléments constituants le tissu, qui permettent d'envisager la fabrication de constructions 3D de tailles pertinentes sur le plan physiologique et donc clinique. L'utilisation d'une couche sacrificielle présente toutefois plusieurs inconvénients, dont celui de l'ablation locale définitive du métal suite au tir laser obligeant un changement fréquent du substrat supportant l'encre et donc des interruptions répétées dans la séquence d'impression d'un tissu pour renouveler ledit substrat. Le brevet US10940687B2 illustre un exemple de réalisation de l'art antérieur. Il utilise un laser émettant un faisceau d'une longueur d'onde de 700 nanomètres. Un autre exemple de procédé LIFT standard est décrit dans les brevets français FR3030360B1 ou FR3087702B1 ou FR3063930B1. Dans ces réalisations, le laser est dirigé vers le haut, et l'énergie apportée localement par l'impulsion laser a pour but de créer une bulle de cavitation à partir du plasma généré sur la couche sacrificielle propulsant un élément biologique vers la cible, avec une énergie cinétique suffisante pour vaincre la gravité et les tensions superficielles. Dans chacun de ces cas de mise en œuvre, les substrats doivent être renouvelés régulièrement ce qui représente à la fois un coût en temps et financier. De plus, des particules de la couche sacrificielle métallique peuvent être amenées jusqu'à la cible par le biais des jets et gouttes générés. L'invention décrit ici un procédé d'impression LIFT sans recours à une couche sacrificielle assurant une bonne reproductibilité des jets générés et une compatibilité avec l'impression de cellules vivantes pour la réalisation de tissus en 3D. L'invention se base sur l'utilisation d'un laser dans le domaine du milieu IR autour de 2.9pm permettant une absorption linéaire directe du liquide de l'encre pour la réalisation d'un procédé LIFT efficace et reproductible. Etat de la technique
[0005] L'état de la technique concerne des solutions existantes proposant la réalisation d'un procédé LIFT ou plus généralement d'interaction laser - matière sans recours à une couche sacrificielle. Ces solutions suivent des stratégies assez différentes mais ont toutes des limites que la présente invention propose de résoudre.
[0006] Dans le brevet FR3063931A1 « EQUIPEMENT ET PROCEDE D'IMPRESSION ADDITIVE », l'impression sans couche sacrificielle se base sur l'utilisation d'effets non linéaires d'absorption (multi-photoniques par exemple) permettant la création d'un plasma duquel découle tout le processus d'impression LIFT (bulle de cavitation, jet, goutte). Le principe décrit dans ce brevet est d'atteindre des seuils d'énergie qui dépassent le seuil d'ionisation de la matière afin d'enclencher le processus d'impression. Les lasers utilisés dans ce cadre sont onéreux car leur durée d'impulsion doit être très courte (typiquement en régime picoseconde / femtoseconde). De plus, l'interaction laser - matière est très sensible à la présence d'objets comme des cellules par exemple dans la zone d'absorption avec pour conséquence des variations importantes dans les tailles et la hauteur des jets générés, et de là une qualité et une reproductibilité aléatoires des motifs imprimés. Le domaine d'absorption non linéaire est donc limité dans sa capacité à imprimer des milieux colloïdaux. En sus, la focalisation de l'énergie doit être parfaitement maîtrisée et correctement positionnée soit dans des épaisseurs d'encre très faibles (de l'ordre de quelques dizaines de microns) soit dans des positions très précises sous la surface du liquide. Il en résulte ainsi des systèmes extrêmement complexes et difficiles à industrialiser ou transférer pour des applications à grande échelle. [0007] Ce brevet évoque également le fait de travailler en absorption linéaire pour contourner les problématiques de reproductibilité évoquées ci-avant. Le document ne décrit qu'un cas particulier de mise en oeuvre où des éléments absorbants ont été préalablement intégrés au liquide à imprimer. Ainsi, le milieu liquide joue le rôle d'absorbant et la reproductibilité des jets est bien meilleure. Malheureusement, les éléments absorbants ajoutés comme la mélanine dans ce cas sont généralement d'une nature chimique peu compatible avec l'utilisation d'encres cellulaires notamment pour des applications thérapeutiques qui impliquent de réduire l'introduction d'éléments potentiellement bio-actifs dans les procédés de fabrication. Cette mise en œuvre est donc elle aussi limitée dans ses capacités. [0008] Au final, les conditions décrites et protégées dans ce brevet sont éloignées de celles de la présente invention à la fois par leur nature et par leur performance.
[0009] Dans le brevet DE102017207262B4, il est fait mention d'une impression LIFT sans couche sacrificielle au niveau de la description du brevet : « In a preferred embodiment of the présent invention, the transfer carrier has no absorber layer. The transfer material layer preferably serves as an absorber layer. When using the transfer material layer as the absorber layer, IR laser beam sources with > 3 pm wavelength are preferably used. ». Il décrit donc l'utilisation d'une longueur d'onde supérieure à 3pm pour réaliser une absorption directe du laser utilisé par le milieu. Aucun détail sur le processus de création de la bulle et du jet n'y est décrit. Il ne constitue donc pas une description suffisante pour la réalisation de la présente invention en sachant que le domaine de longueur d'onde proposé est différent de celui défendu par la présente invention.
[0010] Dans l'article, « Cavitation and shock waves émission on the rigid boundary of water under mid-IR nanosecond laser puise excitation » A.V. Pushkin, A. S. Bychkov, A. A. Karabutov and F.V. Potemkin, Laser Phys. Lett. 15 (2018) 065401, les processus de conversion de l'énergie lumineuse en énergie mécanique sous l'excitation d'un laser nanoseconde dans l'IR moyen sur une frontière rigide d'eau sont décrits. La forte absorption par l'eau d'un laser Q.-switched Cr:Yb:Ho:YSGG (2.85 pm, 6 mJ, 45 ns) permet un dépôt rapide d'énergie de ~8 kJ/ cm3 accompagné de fortes transitions mécaniques. L'évolution des ondes de choc et des bulles de cavitation est étudiée à l'aide de la technique d'ombroscopie et de mesures acoustiques. Pour une impulsion laser de 6 mJ avec une fluence de 2.0 J. cm 2, la conversion en énergie d'onde de choc atteint 67%. La majeure partie de l'énergie de l'onde de choc (92 %) est dissipée lorsque le front de choc parcourt les premiers 250 pm, et les 8 % restants sont transférés au champ lointain acoustique. Les résultats de l'article peuvent être utilisés pour l'optimisation des paramètres du laser pour réaliser du micro-usinage ou de l'ablation de tissus biologiques. L'article ne décrit pas un procédé de type LIFT pour le transfert de matière mais un processus d'absorption linéaire dans un liquide pour générer des bulles de cavitation. Les énergies étudiées dans cet article sont de 2 ordres de grandeur supérieures à celles décrites dans la présente invention, de même que la taille des bulles qui est de plusieurs mm dans l'article quand la présente invention décrit des objets de quelques dizaines à centaines de microns. Les conditions illustrées dans cet article sont donc très éloignées de celles recherchées pour la bio impression précise de cellules par transfert LIFT. [0011] Les solutions de bio-impression par LIFT peuvent également utiliser une couche d'interaction spécifique pour le laser mais non métallique. On parle de BA-LIFT (blister assisted LIFT) ou de LIFT basé sur l'utilisation d'une couche de gélatine par exemple. Dans tous les cas, cette couche joue le rôle d'un actuateur qui se déforme pour permettre la création du jet. Son défaut principal réside dans le fait que la couche en question reste mono-utilisable car les déformations liées à l'interaction avec le laser sont plastiques ou laissent des bulles d'air qui empêchent une réutilisation par la suite. Même si elles ne sont pas sacrificielles au même titre qu'une couche métallique, elles restent à usage unique.
Inconvénients de l'art antérieur
[0012] Le caractère sacrificiel de la couche métallique représente le principal inconvénient de la bio-impression par laser standard car le donneur a un temps d'utilisation limité lié à l'ablation définitive du métal suite au tir laser. Le changement de donneur est donc nécessairement récurrent et consommateur de temps ce qui est potentiellement rédhibitoire pour un usage en bio-impression où le temps de fabrication des tissus est critique pour leur viabilité. De plus, il oblige une sollicitation de l'utilisateur importante en fonction du nombre d'impressions cellulaires à réaliser et donc du nombre de changements du donneur pour fabriquer un tissu.
[0013] Les systèmes utilisant une couche d'absorption (généralement métallique) dédiée sont limités à un seuil de génération d'une bulle de cavitation en dessous duquel le processus LIFT ne peut pas se déclencher. De fait, la taille minimale des jets et donc des gouttes déposées est déterminée par ce seuil.
[0014] Une autre limite des couches sacrificielles concerne la qualité de la couche métallique déposée sur le verre. En effet, celle-ci peut souffrir d'une faible adhésion de l'or au verre, d'une variation d'épaisseur du métal sur la surface de verre ou encore de variation dans le procédé de dépôt du film métallique. La conséquence directe est une disparité des jets générés puisque les conditions initiales ne sont pas identiques en tout point du donneur. Il peut aussi en résulter une délamination de la couche métallique pendant l'usage. La conséquence est une perte de qualité d'impression voire l'obligation de devoir recommencer une nouvelle impression.
[0015] Une autre limite connue réside dans la durée de validité de l'état de métallisation des couches sacrificielles, état qui ne doit pas évoluer dans le temps afin d'assurer une reproductibilité élevée du processus d'impression.
[0016] L'art antérieur, pour lequel le procédé LIFT est mis en œuvre sans couche sacrificielle, est relatif à quatre régimes bien spécifiques qui impliquent :
- des effets non linéaires dans le domaine proche IR
- des absorbants inclus dans l'encre à imprimer
- une absorption par l'encre à une longueur d'onde supérieure à 3pm
- le recours à une couche de type blister
[0017] Les inconvénients du régime non linéaire sont liés au mode d'interaction entre le laser et le matériel à imprimer qui est très sensible à la typologie des encres et à leurs propriétés colloïdales. En effet, cette approche est pertinente pour l'impression de liquides homogènes mais se heurte à des problématiques de reproductibilité majeures (grosses disparités de taille de bulle de cavitation et de taille de jets) lors de l'impression d'encres inhomogènes (colloïdales) comme celles utilisées en bio-impression (cellules). Cette approche n'est donc pas la bonne solution pour l'impression cellulaire. En effet, les résultats obtenus amènent à des patterns imprimés incomplets où seulement 50 à 70 % comporte des cellules. Un autre inconvénient du régime non linaire est lié au besoin de positionnement précis en 3D du point focal afin d'obtenir des jets reproductibles.
[0018] Concernant le recours à des absorbants, le résultat est beaucoup plus performant d'un point de vue reproductibilité et qualité d'impression. Toutefois, cette approche est contraignante car elle impose l'ajout de molécules généralement non bio-compatibles au sein de l'encre à imprimer. Là encore, cette approche est limitante pour la bio-impression de tissus car susceptible d'entraîner des effets délétères sur les fonctions cellulaires.
Solution apportée par l'invention
[0019] Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un équipement d'impression additive comportant : une source laser pulsée produisant un faisceau et focalisée sur le matériel à imprimer, un donneur à partir duquel un matériel biologique est imprimé, et un substrat receveur cible qui recueille le matériel imprimé.
Ledit donneur étant constitué par une lame recouverte, dans la zone d'interaction du faisceau laser, par un film liquide destiné à contenir des inhomogénéités transférables, caractérisé en ce que ledit laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est comprise entre 2 pm et 3.2 pm ladite lame étant transparente ou faiblement absorbante à la longueur d'onde dudit faisceau laser.
[0020] Cette solution a pour conséquence :
Une interaction entre ledit laser et ledit fluide se basant sur une absorption linéaire, directe et totale de l'énergie laser par le liquide,
La création d'une bulle de cavitation par des effets d'élévation de température et de pression localisée au niveau du point d'absorption
L'entraînement par ladite bulle de cavitation d'un flux de matière qui par expansion ou rétraction modifie la surface libre dudit film fluide jusqu'à la création d'un jet, le transfert de matière par ledit jet depuis le film fluide jusqu'à la surface d'une cible. Une reproductibilité élevée de la taille de bulle de cavitation générée, du jet et de la goutte déposée étant liés linéairement à l'énergie absorbée par ledit fluide la possibilité de créer des impressions à haute résolution par le biais de gouttes dont le volume est dans le domaine de quelques dizaines de picolitres à plusieurs nanolitres en régime stable.
[0021] L'absorption linéaire suit la loi de Beer Lambert qui établit que l'absorbance A d'une solution est proportionnelle, d'une part, à sa concentration c et, d'autre part, à la longueur b du trajet parcouru par la lumière dans la solution : A = £ c où :
• e est le coefficient d'extinction molaire ou d'absorptivité propre à l'entité chimique (constante) ;
• b est la longueur du trajet parcouru par la lumière dans le milieu considéré ;
• C désigne la concentration de l'entité chimique.
[0022] L'absorption du laser dans le domaine de longueur d'onde entre 2 et 3,2pm est proportionnelle à la quantité de liquide présente au niveau du plan d'illumination, on parle alors d'absorption linéaire. La longueur d'onde privilégiée est autour de 2.9pm car elle correspond au pic d'absorption du liquide le plus élevé comme on peut le voir sur la figure 2. L'intérêt de l'absorption directe linéaire est d'ouvrir un champ nouveau d'absorption correspondant à des petites énergies laser permettant de créer des petites bulles et donc des petits jets, dans un régime où la bulle et le jet générés sont suffisants pour réaliser une impression. De fait, l'impression à 2.9pm ouvre la voie à une large palette de tailles de gouttes imprimées du picolitre au nanolitre.
[0023] L'absorption directe signifie qu'il n'y a pas d'élément ou de processus intermédiaire dans l'interaction entre le laser et le milieu liquide. De fait, il n'y pas d'éléments absorbants ajoutés dans la solution, ni de couche sacrificielle métallique qui permette d'initier l'absorption, ni d'effets optiques complexes, ni d'effets physico-chimiques ou électromagnétiques pour initier l'absorption. Celle-ci est directement réalisée par absorption du liquide qu'il soit aqueux (molécules d'eau) ou non aqueux (polymères en solution, etc.). [0024] L'absorption totale signifie qu'il n'y a pas de photon résiduel du laser après une certaine épaisseur traversée par ledit laser dans le fluide à imprimer. Cette épaisseur a été estimée expérimentalement et est inférieure à 5 pm. On peut donc considérer que le fluide présent dans cette faible épaisseur joue un rôle équivalent à celui d'une couche sacrificielle sans l'être véritablement. Elle permet notamment de confiner l'absorption du laser à l'interface liquide - substrat, sur une zone de quelques microns, comme on le fait habituellement avec une couche sacrificielle métallique qui elle fait généralement quelques dizaines de nanomètres. Cela permet d'obtenir un positionnement de la bulle de cavitation similaire à celui qui est obtenu classiquement par création d'un plasma au sein d'une couche sacrificielle. Ainsi, la dynamique de la bulle et du jet est très similaire à celle d'un système basé sur l'utilisation d'une couche sacrificielle avec l'avantage de pouvoir réutiliser le donneur autant de fois que nécessaire puisque la quantité de liquide présente dans celui-ci est importante et renouvelable. L'absorption totale du laser sur les premiers microns du liquide assure une protection du reste du liquide vis à vis des photons utilisés et donc des cellules qui s'y trouvent. C'est une alternative très intéressante pour la viabilité cellulaire par comparaison à d'autres solutions où des lasers UV (ionisants) sont utilisés pour faire de la bio-impression par laser par exemple. Un autre avantage réside dans le fait que l'absorption peut être vue comme un processus en 2D qui nécessite une précision moindre pour le positionnement du plan focal laser. De fait, ces conditions d'interaction favorisent une très haute viabilité des cellules dans le cas spécifique de la bio-impression puisque celles-ci n'auront pas d'interaction directe avec les photons du laser. L'absorption totale a également un impact sur la sécurité laser pour l'utilisateur d'un tel système. En effet, l'absorption par le liquide ou par les interfaces en verre ou autre substrat garantie qu'aucun photon du laser ne sera en mesure d'atteindre l'utilisateur. Les moyens de sécurité des personnes utilisant le système peuvent donc être aménagés dans ce contexte.
[0025] L'impression à 2.9pm se base donc sur l'interaction du laser avec quelques pm d'épaisseur d'un fluide homogène qui garantit une grande reproductibilité de l'interaction laser - matière avec pour conséquence une grande stabilité des bulles et des jets générés. Une telle reproductibilité est très importante dans le domaine de la bio-impression notamment à visée industrielle et clinique.
[0026] L'utilisation d'une cartouche à rechargement continu faisant office de substrat donneur et d'un bras robotisé pour pipeter automatiquement l'encre et la disposer sur la surface ouverte de ladite cartouche a été décrite dans l'art antérieur (FR3093944). Elle permet d'automatiser le processus d'impression afin de réduire l'intervention humaine mais se heurte à l'ablation successive de la couche d'or à chaque étape d'impression, obligeant un changement régulier de ladite cartouche. L'utilisation conjointe de cette cartouche avec un système travaillant à 2.9pm tel que décrit dans cette invention permettrait d'imprimer des grandes surfaces / épaisseur d'objets (tissus) sans intervention humaine puisque la cartouche serait utilisable sur un très grand nombre de processus d'impression sans avoir à la changer. Le liquide technique de pré-mouillage servirait alors de milieu absorbant dédié, capacité qui n'est pas suggérée dans le brevet en question.
[0027] On pourrait aussi utiliser la cartouche décrite dans la demande (FR3063931A1) qui propose une mise en œuvre où l'encre à imprimer entre et sort de la zone d'impression ouverte du donneur par des tubes fluidiques. Le laser est tiré dans ladite zone ouverte qui peut être de forme circulaire (similaire à ce qui se pratique avec les systèmes d'impression par laser conventionnels) ou de forme plus spéciale comme un canal fluidique simple ou multiple. Ainsi, quelle que soit la forme de la zone ouverte, les tirs lasers peuvent réalisés sur un même point ou sur des lignes de points autant de fois que nécessaire sans avoir à changer la cartouche. [0028] La présente invention concerne selon son acception la plus générale un équipement d'impression additive comportant : une source laser pulsée produisant un faisceau et focalisé sur le matériel à imprimer, un donneur dépourvu de couche sacrificielle, à partir duquel un matériel biologique est imprimé, et un substrat receveur cible qui recueille le matériel imprimé Ledit donneur étant constitué par une lame recouverte, dans la zone d'interaction du faisceau laser, par un film liquide destiné à contenir des inhomogénéités transférables, caractérisé en ce que ledit laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est comprise entre 2 pm et 3,2 pm ladite lame étant transparente ou faiblement absorbante à la longueur d'onde dudit faisceau laser.
Selon des variantes avantageuses : la longueur d'onde d'émission du laser présente un pic à 2,9 pm ± 0,3 pm l'épaisseur du liquide dans laquelle l'absorption totale de l'énergie laser est réalisée est de l'ordre de quelques microns et inférieure à 5pm la focalisation du laser à l'interface du donneur et du liquide peut être modifiée de façon à permettre variation de la taille transversale de la zone d'absorption avec pour effet de moduler la taille des bulles et des jets générés et donc des gouttes déposées sur la cible l'impression par laser à 2.9pm est parfaitement adaptée à l'utilisation d'une cartouche à rechargement continu en fluide une cartouche à rechargement continu utilisant un film de prémouillage pourrait utiliser l'encre technique de prémouillage comme milieu absorbant pour la longueur d'onde à 2.9pm le fluide est disposé dans un réservoir l'impression se fait de bas vers le haut en sens opposé à la force de gravité Les performances associées à cet équipement permettent d'assurer les caractéristiques suivantes : la taille de la bulle de cavitation et la taille du jet associé sont linéairement dépendantes d'une part de l'énergie laser utilisée qui est typiquement dans le domaine du pJ à quelques dizaines de pJ et d'autre part de l'épaisseur du liquide qui peut varier de quelques microns à quelques centaines de microns les bulles de cavitation ont un grand spectre de tailles allant de quelques microns à plusieurs centaines de microns les gouttes déposées ont un grand spectre de tailles allant de très petits volumes de quelques picolitres à de très grands volumes d'un nanolitre à un microlitre l'absorption directe du liquide assure une condition d'impression constante pour un jeu de paramètres d'impression donnés avec pour conséquence une très grande stabilité des jets générés ouvrant la voie à une très importante reproductibilité du transfert du fluide vers une cible
[0029] L'invention concerne aussi une méthode d'impression additive par une source laser pulsée produisant un faisceau en direction d'un donneur dépourvu de couche sacrificielle à partir duquel un matériel biologique est imprimé, vers un substrat receveur qui recueille le matériel imprimé, ledit donneur étant constitué par une lame recouverte, dans la zone d'interaction du faisceau laser, par un film de liquide destiné à contenir des inhomogénéités transférables, caractérisé en ce que ledit laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est comprise entre 2 pm et 3,2 pm et en ce que ladite lame est transparente ou faiblement absorbante à la longueur d'onde dudit faisceau laser.
[0030] Avantageusement, le fluide à imprimer provient d'une cartouche à rechargement continu.
[0031] De préférence l'acheminement de l'encre vers la cartouche est automatisé pour éviter toute intervention humaine pendant la phase d'impression.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation
[0032] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, se référant aux dessins annexés sur lesquels :
[FIG. 1] La figure 1 représente une vue schématique d'un système LIFT selon l'invention travaillant à 2.9pm,
[FIG. 2] La figure 2 représente le spectre d'absorption de l'eau,
[FIG. 3a] La figure 3a représente une courbe de la stabilité des jets obtenus par ombroscopie, [FIG. 3b] La figure 3b représente une courbe de la hauteur de jet mesurée sur 50 jets consécutifs,
[FIG. 4] La figure 4 représente une courbe de la dépendance des hauteurs de jets en fonction du temps et de l'énergie laser,
[FIG. 5] La figure 5 représente un graphe des caractéristiques des gouttes imprimées sur substrat receveur en fonction de la distance au receveur,
[FIG. 6] La figure 6 représente la géométrie des gouttes imprimées par la technique LIFT direct à 2.9 pm sur un substrat sans couche sacrificielle. Description d'un premier exemple d'équipement
[0033] La figure 1 représente une vue schématique d'un premier exemple d'équipement. [0034] Le laser (1) est une source pulsée en régime nanoseconde, dont la durée d'impulsion est de 10 ns, émettant entre 2,6 pm et 3,2 pm de longueur d'onde, dans un régime d'énergie pouvant atteindre lOOpJ, avec une cadence de tirs réglable entre 1 Hz et lOKHz.
[0035] Le faisceau laser est mis en forme à travers un système optique (2) composé de deux lentilles afin de le collimater et lui donner le diamètre souhaité. Les composants optiques doivent être en ZnSe, CaF2, Infrasil ou tout autre matériau compatible avec un usage dans le domaine de longueur d'onde du milieu IR (de 2 à 3,2 pm).
[0036] Le scanner (3) assure une orientation angulaire du faisceau selon deux axes perpendiculaires. Il est par exemple constitué par deux miroirs actionnés par un actionneur électromagnétique, par exemple un scanner commercialisé par la société SCANLAB (nom commercial) sous la référence « SCANcube 14 ». Les miroirs de ce scanner doivent être recouverts d'une couche d'or pour assurer une réflexion totale du laser dans le domaine de longueur d'onde du milieu IR (de 2 à 3,2 pm).
[0037] Le laser (1) est ensuite focalisé par un système optique de focalisation dédié (4) sur le donneur (5) sur lequel est déposé l'encre à imprimer (6). Habituellement, le système de focalisation dans les systèmes LIFT standards est basé sur des systèmes optiques complexes appelés F-Theta comportant un grand nombre de lentilles. Malheureusement, il n'existe pas d'équivalent dans le domaine mid-IR visé par cette invention. Des solutions sur mesure peuvent alors répondre à cette problématique :
- F-théta sur mesure compatible avec la longueur d'onde à 2.9pm (solution complexe et onéreuse)
- Objectif télécentrique constitué de 2 lentilles sur mesure compatible avec la longueur d'onde à 2.9pm (solution plus simple et moins onéreuse)
- Lentille ou objectif simple disposé avant le scanner: dans ce cas, on utiliserait une solution de type scanner 3D où la focalisation se ferait en amont du scanner et nécessiterait l'utilisation d'une adaptation selon la direction Z de la focale dans le champ visé.
[0038] Le film (6) est disposé en face d'un substrat receveur cible (7) suffisamment transparent à la longueur d'onde du laservers lequel sont transférées les cellules ou particules, lors du déclenchement d'un faisceau laser (1) impulsionnel. [0039] La figure 2 illustre la capacité d'absorption de l'eau en fonction de la longueur d'onde d'illumination et on peut y voir clairement le pic d'absorption à 2.9pm visé par la présente invention dans sa mise en œuvre particulière.
[0040] La figure 3a représente la courbe de stabilité des jets mesurée par une technique d'ombroscopie mise en œuvre dans l'exemple de réalisation décrit en figure 1. On peut aisément conclure que la hauteur des jets reste la même sur un nombre important de jets consécutifs.
[0041] La figure 3b représente la courbe de la hauteur de jet mesurée sur 50 jets consécutifs à partir des données d'ombroscopie. On constate que la répétabilité des hauteurs de jet est supérieure à 90 %. Cette stabilité est un gage de reproductibilité des impressions, caractéristique absolument nécessaire pour utiliser la bio-impression dans le domaine industriel ou clinique. Elle a été obtenue sur le système décrit en figure 1.
[0042] La figure 4 représente une courbe de la dépendance des hauteurs de jets en fonction du temps et de l'énergie laser obtenue avec le système décrit sur la figure 1. La dépendance directe entre énergie et hauteur de jet est clairement observable et apporte la preuve du caractère linéaire de l'absorption à 2.9pm. Temporellement, on constate que les jets ont une « durée de vie » de quelques centaines de ps ce qui est standard dans le domaine du LIFT. On est donc sur des temps d'impression courts compatibles avec l'impression de tissus biologiques qui doivent rester viables pendant cette phase.
[0043] La figure 5 représente un graphe des caractéristiques des gouttes imprimées sur substrat receveur en fonction de la distance audit receveur dans le cadre de l'exemple de réalisation décrit en figure 1. La taille des gouttes suit la même logique que celle décrite sur les jets à savoir une dépendance linéaire à l'énergie laser utilisée et une capacité à obtenir des tailles reproductibles sur une échelle importante. Ces résultats corroborent les performances décrites de façon générale sur cette invention.
[0044] La figure 6 est la preuve finale de la capacité du LIFT direct à 2.9 pm à imprimer des gouttes sur un substrat sans couche sacrificielle avec des résultats obtenus sur le montage décrit en figure 1. L'impression concerne un milieu homogène dans cette illustration. Des résultats similaires ont été obtenus sur des milieux colloïdaux avec microbilles ou cellules humaines. Elle illustre la topographie de la cible après impression avec quatre niveaux d'énergie différents. Description d'un second exemple d'équipement
[0045] Dans une autre configuration, la solution peut être réalisée sans recours à un scanner 2D ou 3D. Dans ce cas, la ligne optique est simplifiée car elle intègre uniquement un système de mise en forme de faisceau et une optique de focalisation. Dans ce cas, on considère que l'encre déposée au niveau du donneur sera suffisamment perturbée par chaque tir laser entraînant une bulle puis un jet pour permettre une forme de renouvellement de l'encre au niveau de la zone du tir laser. Cette configuration peut être imaginée à la fois dans le cas d'une architecture d'impression de bas vers le haut en sens opposé à la force de gravité comme de haut vers le bas dans le sens de la gravité. Le donneur peut être constitué d'un film fluide comme d'un réservoir.
Spécificités du domaine de longueur d'ondes Milieu IR
[0046] La longueur d'onde de 2,9 pm du faisceau laser ne permet pas l'utilisation d'optiques standards. Les composants optiques doivent donc se baser sur d'autres matériaux non absorbants à ces longueurs d'onde et qui sont plus dispendieux. Il faut donc utiliser de manière préférentielle des matériaux transparents comme le CaF2 , le ZnSe ou l'Infrasil (nom commercial) même si on peut aussi utiliser comme substrat donneur de fines lames de silice au prix d'une perte d'énergie. Les lentilles utilisées par contre sont des lentilles de CaF2 et les miroirs doivent être en or protégé.
[0047] L'émission à 2.9 pm est caractérisée par une forte absorption de ce rayonnement par l'eau. Cette caractéristique pourrait alors faire entrer ce type de rayonnement dans la catégorie des lasers dit de sécurité oculaire comme les lasers à erbium émettant à 1500 nm. C'est donc la cornée qui absorbe ce rayonnement. Cependant, le coefficient d'absorption de l'eau à 2.9 pm (10000 cm4) est beaucoup plus important qu'à 1.5pm (30 cm-1), l'absorption se fait donc sur des distances inférieures à 2 à 3pm de longueur d'onde contre 700 pm à 1.5pm de longueur d'onde. Les risques d'endommagement de la cornée sont donc plus importants à 3pm qu'à 1.5 pm mais beaucoup moins concernant la rétine.
[0048] La mise en œuvre d'un système travaillant à 2.9pm va être sensible à l'environnement, notamment la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air. Pour y remédier, une variante de l'équipement peut être imaginée comme un système fermé vis à vis de l'extérieur afin d'éviter les changements d'humidité de l'air. Selon une autre variante, on peut aussi prévoir un gaz neutre présent au cœur du système optique. Le module laser peut donc être constitué d'une enveloppe permettant de protéger le faisceau de changement d'hygrométrie voir d'y placer le gaz neutre évoqué auparavant. L'intérêt d'une telle configuration est d'assurer une stabilité de la quantité d'énergie laser arrivant sur l'échantillon.
Selon des variantes :
- la modification de la focalisation du laser à l'interface verre liquide par changement de plan focal va permettre de faire varier la taille transversale de la zone d'absorption avec pour effet de moduler la taille des bulles et des jets générés et donc des gouttes déposées sur la cible.
- le système optique permettant la propagation du faisceau laser jusqu'au donneur comporte un scanner 2D ou 3D permettant d'orienter ledit faisceau laser afin de créer un pattern complet de gouttes imprimées par balayage dudit faisceau laser sur ledit donneur dont la surface est d'au moins 0,5 cm2.
- le système optique ne comporte pas de scanner et tire directement sur le donneur, chaque tir permettant de renouveler la zone d'interaction au sein dudit donneur par les mouvements induits dans le film d'encre par la bulle de cavitation et le jet.
- le système optique est intégré à un module permettant une régulation de l'hygrométrie.
- le système optique est intégré dans une enceinte fermée dans laquelle un gaz neutre a été introduit afin d'éviter toute d'absorption par vapeur d'eau
- l'acheminement de l'encre vers la cartouche est robotisé.
- la taille des gouttes déposées est linéairement dépendante de l'énergie laser et de l'épaisseur du fluide à imprimer

Claims

Revendications
1 - Équipement d'impression additive comportant : une source laser pulsée produisant un faisceau et focalisé sur le matériel à imprimer, un donneur dépourvu de couche sacrificielle, à partir duquel un matériel biologique est imprimé, et un substrat receveur cible qui recueille le matériel imprimé Ledit donneur étant constitué par une lame recouverte, dans la zone d'interaction du faisceau laser, par un film liquide destiné à contenir des inhomogénéités transférables, caractérisé en ce que ledit laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est comprise entre 2 pm et 3,2 pm ladite lame étant transparente ou faiblement absorbante à la longueur d'onde dudit faisceau laser ledit liquide présente une absorption directe totale sur une épaisseur inférieure de 5pm.
2 - Équipement d'impression additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit liquide est aqueux.
3 - Équipement d'impression additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit liquide est de l'eau.
4 - Équipement d'impression additive selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit liquide est constitué de polymères en solution.
5 - Équipement d'impression additive selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que la longueur d'onde d'émission du laser présente un pic à 2,9 pm ± 0,3 pm.
6 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la focalisation du laser à l'interface substrat / liquide est modifiable par changement de plan focal pour faire varier la taille transversale de la zone d'absorption avec pour effet de moduler la taille des bulles et des jets générés et donc des gouttes déposées sur la cible. 7 - Équipement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une cartouche à rechargement continu mettant en oeuvre un film de prémouillage exploite l'encre technique de prémouillage comme milieu absorbant pour la longueur d'onde à 2.9pm.
8 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide à imprimer est disposé dans un réservoir.
9 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impression se fasse de bas vers le haut en sens opposé à la force de gravité.
10 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impression se fasse de haut vers le bas selon la direction de la force de gravité.
11 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique permettant la propagation du faisceau laser jusqu'au donneur comporte un scanner 2D ou 3D permettant d'orienter ledit faisceau laser afin de créer un pattern complet de gouttes imprimées par balayage dudit faisceau laser sur ledit donneur dont la surface est d'au moins 0,5 cm2.
12 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique ne comporte pas de scanner et tire directement sur le donneur, chaque tir permettant de renouveler la zone d'interaction au sein dudit donneur par les mouvements induits dans le film d'encre par la bulle de cavitation et le jet.
13 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique est intégré à un module permettant une régulation de l'hygrométrie.
14 - Équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique est intégré dans une enceinte fermée dans laquelle un gaz neutre a été introduit afin d'éviter toute d'absorption par vapeur d'eau.
15 - Méthode d'impression additive par une source laser pulsée produisant un faisceau en direction d'un donneur dépourvu de couche sacrificielle à partir duquel un matériel biologique est imprimé, vers un substrat receveur cible qui recueille le matériel imprimé, ledit donneur étant constitué par une lame recouverte, dans la zone d'interaction du faisceau laser, par un film de liquide destiné à contenir des inhomogénéités transférables, caractérisé en ce que ledit laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est comprise entre 2 pm et 3,2 pm et en ce que ladite lame est transparente à la longueur d'onde dudit faisceau laser.
16 - Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que le fluide à imprimer est supporté par une cartouche à rechargement continu.
17 - Méthode selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'acheminement de l'encre vers la cartouche est robotisé.
18 - Méthode selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'absorption directe du liquide assure une condition d'impression constante pour un jeu de paramètres d'impression donnés avec pour conséquence une très grande stabilité des jets générés ouvrant la voie à une très importante reproductibilité du transfert du fluide vers une cible.
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