manutech : le laser femtoseconde au · macro contacts focaux cellule souche mésenchymateuse...
TRANSCRIPT
MANUTECH : Le laser femtoseconde au
service des besoins industriels
Contact : Olivia ROFIDAL – [email protected]
www.manutech-usd.fr
EXPOSÉ
• La démarche MANUTECH
• La mise en œuvre des lasers femto chez
MANUTECH
• Les applications et exemples de réalisation
– Ostéointégration et machine hybride
– Découpe et texturation de greffons cornéens
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LA DÉMARCHE MANUTECH : FONCTIONNALISER
LES SURFACES PAR LASER ULTRA-BREF
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EQUIPEX MANUTECH avec ses partenaires
Partenaires publics de MANUTECH LABEX MANUTECH UJM, ECL, ENISE, Ecole de Mines, ECAM, INSA Lyon
Partenaires privés de MANUTECH (IREIS, WEARE,
Science et Surfaces) Porteurs de projet
Partenaires industriels
compréhension Pré-industrialisation Production
DES COMPÉTENCES INTÉGRÉES ET MULTIPLES
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MANUTECH
• Expertises des surfaces
• Analyses XPS / AES / SIMS
• Tribologie industrielle
• Technologies PVD / PECVD
• Treatements des surfaces
• Materiaux métalliques & surfaces
• Fatigue des composants mécaniques
• Ingénierie des assemblages
• Procédés laser ultrabrefs
• Interaction laser matière
• Micro / nano texturation
• Sol-gel, photo-organization
• Traitements d’image
• Matériaux
• Durabilité
• Réactivité de surface
• Poudre & matériaux multicomposants
• Jet d’encre
• Analyses multiphysiques locales
• Tribologie
• Tribochimie
• Adhérence et adhésion
• Nano-mécanique
• Procédés de fabrication
• Modelisation, simulation
• Tribologie
• Lubrifiants
• Mecanique des contacts
• Modelisation, simulation
• Metal Injection Molding (MIM)
DES ÉQUIPEMENTS AU SERVICE DE LA R&D
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TEXTURATION LASER ULTRA-BREF
CARACTERISATION DES MATERIAUX
PLATEFORME DE CARACTERISATION
MULTI-ECHELLE MULTIFONCTIONNELLE La Centrale-USD
• 6 lasers femtoseconde de 20W à 100W
• 4 environnements opto-mécanique dédiés à l’ablation : platines et bras
robot
• 2 machines fab additive couplées au laser femto
• Méthodes ablatives et additives
Le FIB
P2M
• Topographie
• Mouillabilité
• Rhéologie (indentation, sclérométrie, tribologie)
• FIB- MEB
• EDX-EBSD
Réalisation de surfaces modèles Caractérisation des ces surfaces
LES PLATEFORMES DE TEXTURATION
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Lasers femtoseconde
3 environnements platines Surfaces planes jusqu’à 300*600 mm Pièces de révolution Taille faisceau de 1µm à 50µm
1 bras robot équipé d’un laser femto fibré Surfaces planes jusqu’à 1 m2 Pièces complexes
2 machines hybride (LBM + laser femto) Finition et texturation de pièces 3D
AUGMENTATION DES CADENCES
Augmentation des cadences de texturation d’un facteur 80
• Vidéo 1 / augmentation des cadences laser
• Vidéo 2 / avec mise en forme de faisceau
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APPLICATIONS
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SURFACE
Adhésion cellulaire
Déperlance sur tissus
Anti-givrage
Découpe de précision
FONCTIONNALISER UNE SURFACE, c'est modifier ses caractéristiques afin de lui conférer des propriétés particulières
Anti -salissures
Piège à ondes
Augmentation des rendements optiques
Etanchéité
Réduction des frottements
Réduction de la trainée
APPLICATIONS
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SURFACE
FONCTIONNALISER UNE SURFACE, c'est modifier ses caractéristiques afin de lui conférer des propriétés particulières
Découpe et surfacing femtoseconde de supports pour le
bioengineering cornéen
Texturations d’alliage de titane par laser femtoseconde : effets sur l’adhérence et la différenciation cellulaire
Adhésion cellulaire
Découpe de précision
TEXTURATIONS D’ALLIAGE DE TITANE PAR LASER FEMTOSECONDE : EFFETS SUR L’ADHÉRENCE ET LA DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE
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DUMAS V. al. Femtosecond laser nano/micro patterning of titanium influences mesenchymal stem cell adhesion and commitment. Biomedical Materials, 2015
Projet INSTEAD : Passage à la 3D
Macro
Contacts focaux
Cellule souche mésenchymateuse
Fonctionnaliser la surface des implants dentaires, orthopédiques: Interactions cellules/surfaces
Améliorer l’interface os/implant
Différenciation ostéoblastique = ostéointégration de l’implant
Adsorption des protéines
cytosquelette
Micro / nanotopographie Fibres matricielles
Différenciation Prolifération…
MECANOTRANSDUCTION
Tissu osseux Tissu osseux Implant Ti6Al4V
Micro Nano
Gittens RA, Biomaterials 2011
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Topographies hautement variables
Forte modification de la chimie de surface
Attaque acide/ sablage Projection Plasma
Inconvénients des techniques classiques
Réponses cellulaires difficilement interprétables
Traitements de surface classiques des implants métalliques
Topographies contrôlées : micro et nanométriques dans une même structure. Précision et reproductibilité => un outil pour comprendre les interactions cellules/surfaces
Texturations par laser femtoseconde sur le Ti6Al4V Nanostructures = ripples (orientation, localisation) Microstructures= cratères, stries…
Szmukler, J. Biomed. Mater. Res.2004 Ong JL. Biomaterials 2004
Dumas V. et al 2012. J Biomed Mater Res Part A
Dumas V. et al 2015 Biomedical Materials
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Morphologie cellulaire sur les surfaces texturées par laser 24h
L’aire des cellules diminue sur toutes les textures. Sur les textures A et B, les cellules ont une forme étoilée et présentent de nombreux prolongements cytoplasmiques. Sur la texture C, on observe une élongation cellulaire dans la direction des ripples.
20µm
Poli miroir
20µm
20µm
Texture A
Texture B Texture C
20µm
Quantification des paramètres morphologiques (Imagej)
n=100-150 cellules. Moy±SEM, *p<0,05 vs poli, # p<0,05 vs A et B.
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C3H10t1/2, CSM murines
Cellules souches
A plus long terme…. LA DIFFERENCIATION
Cellules souches mésenchymateuses
Texturations laser
Voie ostéoblastique
Voie adipocytaire
7-14 jours ?
24h Changements morphologiques
Modification de l’adhésion cellulaire
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C3H10T1/2
Perspectives 3D :
Projet INSTEAD : Couplage de la fabrication additive à un laser femtoseconde
Fabrication Additive
Architectures 3D Surfaces texturées
ripples
+ Femtosecond Laser
Nouveaux Scaffolds 3D
Laser femtoseconde = fonctionnalisation de surface
Fabrication additive = implants personnalisés, macroarchitectures poreuses
Cellules souches
Bioréacteur : culture cellulaire 3D
Pompe
milieu de culture Ti6Al4V
MACHINE HYBRIDE
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Le laser pulsé vient se greffer à la machine SLM avec la mise en place d’un bloc
optique unique permettant d’utiliser alternativement le laser continu et le laser
pulsé(1)
(1) Brevet déposé
SLM
Laser femto
Femto laser fibré
Laser continu fibré
Système de contrôle
Pilotage du process
Alimentation
Optique
MACHINE HYBRIDE
Ablation au laser femtoseconde entre chaque couche additive :
– Reprise en rugosité de la surface
– Fonctionnalisation de la surface
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Surface initiale (mur) Ra = 5,375µm
Amélioration d’un facteur 10
Surface après polissage laser femto Ra = 0,519µm
Poudre de TA6Al4V
Scaffolds 3D (design adapté au bioréacteur IVTV : Thèse de Laura Juignet)
Fabrication Additive
Améliorer l’état de surface interne et
obtenir une texturation (ripples)
10,7 x 5mm
D=700µm
Sa=25µm
Objectif
Projet INSTEAD
SUPCO : SUPPORT CORNÉEN
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Découpe et surfacing femtoseconde de supports pour le bioengineering cornéen
ENJEUX
Enjeux
• Lutter contre la pénurie de greffons permettant de lutter
contre la cécité
=> Obtenir le maximum de greffons cornéens à partir d’une
cornée
Cahier des charges
• être transparent et de grande qualité optique,
• avoir une résistance mécanique suffisante pour permettre
les manipulations au laboratoire puis au bloc
• faciliter l’adhérence et la fonction des cellules
endothéliales
• être fin et régulier. Epaisseur <100µm
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ENJEUX
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Système actuel : 1 greffon in vivo par cornée Découpe microkératome
Découpe 5 à 7 support de greffons Décellularisation Fonctionnalisation par fs Endothélialisation des supports
DÉCOUPE DES SUPPORTS
CORNEÉNS
• Record de12 lamelles de
greffons cornéens réalisées
dans une cornée avec le laser fs
• (objectif initial 5 à 7 lamelles)
• Système de découpe en cours
de dépôt de brevet
• Epaisseur obtenue <80µm
• Rugosité de surface équivalente
au système microkératome
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Observation OCT de la découpe Observation OCT des lames après détachement
TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN
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TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN /
FACE 1
Texturations en cours de test dans culture de cellules primaires endothéliales
pour identifier le motif favorisant la meilleur prolifération
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Côté cellules endothéliales : favoriser la prolifération des CEs
TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN /
FACE 2
Côté receveur : favoriser l’adhérence
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POUR CONCLURE : LE LASER FS SÉDUIT DE
PLUS EN PLUS D’INDUSTRIELS
• GRANDE SOUPLESSE DANS LA FORME DE LA TEXTURATION, DANS
QUASIMENT TOUS LES MATERIAUX
• EFFETS THERMIQUES TRES LIMITES (LASERS ULTRACOURTS)
• TAILLE DES MOTIFS: 1-100 µm
• TEXTURATION MULTI-ECHELLES
• GRANDE MAITRISE DE LA PROFONDEUR ABLATEE
• PAS DE PRODUITS CHIMIQUES
• PAS D'USURE D'OUTILS
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MERCI POUR VOTRE ATTENTION