FR3141092A1 - Manipulation et transfert d’objets par propulsion - Google Patents

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Antonio IAZZOLINO
Bertrand Viellerobe
Fabien Guillemot
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Poietis SAS
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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un équipement de transfert d’au moins un objet depuis un substrat donneur (30) en direction d’un substrat cible (40), ledit substrat donneur (30) formant une surface sur laquelle est déposée un film de liquide vecteur d’une épaisseur ez selon une direction verticale Z, ledit liquide vecteur contenant les objets à transférer de dimension (Dx, Dy, Dz), ledit transfert étant assuré par excitation énergétique locale dudit liquide pour former une bulle de cavitation localisée au niveau d’un objet, caractérisé en ce que le ratio Dz/ez est supérieur à 1, et de préférence supérieur à 0,5. Figure de l’abrégé : figure 1

Description

MANIPULATION ET TRANSFERT D’OBJETS PAR PROPULSION Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine de la fabrication additive d’un matériau par transferts répétés de particules entre un substrat donneur et un substrat récepteur, un film de liquide vecteur contenant les particules à transférer étant déposé sur le substrat donneur, et notamment le domaine de la bio-impression. Le domaine particulier de la bio-impression concerne l’utilisation de procédés de fabrication numérique permettant d’organiser et d’assembler en 2D et en 3D les constituants des tissus biologiques dans le but de produire des greffons pour la médecine régénératrice ou des modèles physiologiques pour la recherche biomédicale et pharmaceutique.
Le principe général de l’invention consiste à transférer des objets biologiques (des cellules par exemple), organiques ou minérales à partir d’un liquide vecteur déposé sur un substrat sous forme d’un film et d’apporter une impulsion énergétique pour former une bulle de cavitation, directement par vaporisation de la partie de liquide dans le champ focal de la source d’énergie- généralement un laser – ou par l’intermédiaire d’un fin revêtement métallique formant sur le substrat donneur une couche sacrificielle. Cette bulle de cavitation entraîne la ou les particules se trouvant dans l’axe de tir vers un substrat récepteur, sur lequel viennent s’accumuler les particules transférées, au fur et à mesure de la répétition des tirs.
 Etat de la technique
Une des solutions adaptées à la bio-impression est connue sous l’acronyme LIFT (en anglais « Laser Induced Forward Transfert »). Le transfert de matière est provoqué par
la focalisation d’un laser sur une surface. Ce transfert peut se faire dans deux sens, soit provoquant l’ablation d’une surface par le haut, puis en la laissant chuter par force capillaire, soit en tirant sur la surface vers le bas et en se servant de l’énergie libérée pour provoquer un transfert de matière vers un receveur positionné au-dessus de la surface. Le LIFT consiste en la projection d’une bio-encre étalée sur un support donneur vers un support receveur. Le support donneur est composé d’une lame de verre recouverte d’une fine couche d’or sur laquelle la bio-encre est étalée. Le support receveur peut être par exemple une plaque de culture cellulaire 6-puits, une plaque de pétri ou une plaque sans puits pour l’impression de grandes surfaces.
Un laser délivre de courtes impulsions (de quelques centaines de femtosecondes jusqu’à plusieurs dizaines de nanosecondes). Le faisceau est agrandi, et dirigé par un jeu de miroirs vers un scanner. Celui-ci oriente le faisceau vers une lentille F-Thêta, qui permet de le focaliser sur la lame donneuse. Les coordonnées des points d’ablation du laser sur la lame donneuse sont pilotées par l’angle appliqué par le scanner.
Lorsque l’impulsion laser focalisée arrive au niveau de la couche d’or, les électrons contenus dans celle-ci absorbent les photons du laser. Un plasma se crée et une bulle de vapeur se forme à la surface du verre, appelée bulle de cavitation. Cette bulle située entre le verre et la bio-encre projette une gouttelette d’encre contenant une ou plusieurs cellules sur le support receveur. La distance entre la couche d’or du donneur et la surface du receveur est définie comme la Distance Donneur-Receveur (DDR). Cette distance est un des principaux paramètres influençant la qualité d’impression.
On connaît par exemple le brevet EP3941712 décrivant un procédé d'impression mettant en œuvre un équipement comportant un moyen d'excitation énergétique orientable pour produire une interaction ponctuelle avec au moins une encre pouvant contenir des inhomogénéités déposée sur un support d' impression présentant une surface transparente d'interaction, afin de provoquer le transfert d'une partie ciblée de ladite encre vers un récepteur, caractérisé en ce qu' il comporte une étape de génération d'un film de mouillage recouvrant au moins partiellement ladite surface transparente d'interaction, suivie d'une étape de dépôt de ladite encre sur la surface dudit film de mouillage et d'étapes de transfert.
On connait aussi la demande de brevet EP22181067.4. En effet, il s’agit d’un brevet protégeant un procédé de fabrication d'un tissu de cartilage tridimensionnel par bio-impression assistée par laser, comprenant les étapes suivantes :
a) fournir une bio-encre donneuse comprenant des agrégats de cellules formant du cartilage,
b) transférer une couche structurée d'agrégats cellulaires sur un substrat récepteur par une énergie laser pulsée focalisée sur la bio-encre.
c) répéter les étapes a) et b) pour obtenir des couches d'agrégats à motifs supplémentaires
sur les couches précédemment déposées, obtenant ainsi une dite couche tridimensionnelle
avec un facteur de compacité minimal de 30 %.
Parmi ces technologies, il y a le brevet : EP2873751A1 qui décrit un processus de dépôt direct d'un matériau solide sur un substrat cible en faisant passer une rafale d'impulsions laser ultrarapides d'un faisceau laser focalisé en dessous de la limite de diffraction à travers un substrat porteur qui est transparent au faisceau laser. Le substrat porteur est revêtu d'un matériau solide à transférer sur sa face inférieure. Les électrons à l'arrière dudit support transparent revêtu du matériau sont excités par les premières sous-impulsions du faisceau laser qui soulève le matériau du substrat porteur et les sous-impulsions ultérieures du faisceau laser envoient le matériau dans l'espace avec une vitesse hypersonique par une onde de choc qui entraîne le matériau avec un élan vers l'avant à travers un espace étroit entre le substrat porteur et le substrat cible. Le procédé décrit dans ce brevet est basé sur la fusion du matériau à transférer par absorption laser et les ondes de chocs nécessaires pour le transfert ne sont pas compatibles avec un usage dans le domaine biologique.
La bioimpression par technologie Kenzan [Yurie et al. (2017) PLoS ONE 12(2), e0171448] est une méthode permettant d'assembler des agrégats cellulaires en 3D sans l'aide d'un échafaudage composé de matériaux de collagène ou d'hydrogel. En effet, les sphéroïdes sont disposés dans un réseau d'aiguilles fines où ils peuvent fusionner avec les sphéroïdes adjacents pour former une structure connectée. En utilisant un alignement approprié des aiguilles, les sphéroïdes peuvent être positionnés selon certaines dispositions 3D, en particulièrement pour des constructions creuses. Cette technologie est limitée en termes de débit de production car les sphéroïdes doivent être manipulés individuellement à l'aide d'une pince ou d'une seringue. De plus, la taille des sphéroïdes est généralement grande pour être compatible avec l'insertion d'une aiguille. La technologie Kenzan ne permet pas de produire des tissus denses (avec un facteur de compacité élevé) composés de sphéroïdes inférieurs à 500μm de diamètre. Enfin, cette technologie est limitée du point de vue applicatif du fait qu’elle est basée sur une manipulation par contact des objets. Elle est peu adaptée à la manipulation d’objets déformables, de cellules fragiles aux variations environnementales ou aux conditions GMP.
La bio-impression assistée par aspiration est une autre technique particulièrement adaptée à la manipulation et au modelage des sphéroïdes comme dans décrit dans la publication :
« Aspiration-assisted bioprinting for precise positioning of biologics »
Ayan B, Heo D N, Zhang Z, Dey M, Povilianskas A, Drapaca C and Ozbolat I T
2020 Sci. Adv. 6 1–17
Cette technologie permet de prélever et de positionner des agrégats en 3D en exploitant la puissance des forces d'aspiration. Elle fait fonctionner une pipette, qui est utilisée pour "prélever" des sphéroïdes d'un gel ou d'une bio-encre et les "bio-imprimer en 3D" dans ou sur un substrat de gel (récepteur). Cette technologie revendique un positionnement de haute précision et une grande viabilité, mais l'aiguille d'aspiration est en contact avec le sphéroïde, avec un potentiel de contaminations et de déformations mécaniques. De plus, pour assurer une bonne aspiration, cette solution est limitée à la manipulation de sphéroïdes de grande taille et est donc limitée en terme de débit de production. Comme pour la technologie Kenzan, la technologie par aspiration impose de manipuler les sphéroïdes individuellement au ralenti et ne permet pas de produire des tissus denses (facteur de compacité élevé) composés de sphéroïdes de moins de 500μm de diamètre. Cette technologie est limitée du point de vue applicatif du fait qu’elle est basée sur une manipulation par contact des objets. Elle est peu adaptée à la manipulation d’objets déformables, de cellules fragiles aux variations environnementales ou aux conditions GMP.
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur sont adaptées pour le transfert de petites particules, de dimensions significativement inférieures à l’épaisseur du film de liquide vecteur lorsqu’elles sont basées sur le LIFT, ou adaptées pour la manipulation / transfert de grosses particules par contact lorsqu’il s’agit de technos non LIFT comme le Kenzan ou l’aspiration Elles présentent toutefois plusieurs inconvénients.
En premier lieu, la focalisation de chaque tir doit être ajustée pour prendre en compte le plan dans lequel est positionnée la particule se trouvant dans le champ de tir, pour apporter l’énergie approprié dans le plan situé juste sous la particule, afin que l’impulsion énergétique assure la cavitation du liquide sous la particule. Cette étape d’ajustement de la focalisation avant chaque tir ralentit fortement la cadence.
En second lieu, le transfert de la particule s’accompagne d’un transfert d’une partie non négligeable de liquide vecteur, ce qui conduit à un matériau de faible densité volumique.
En troisième lieu, les particules sont relativement mobiles dans le film de liquide vecteur, et la précision du tir est perturbée par les déplacements entre le moment de l’analyse de l’image du champ de tir, et le déclenchement du tir.
Solution apportée par l’invention
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de fabrication d'un matériau par transfert d’au moins un objet, notamment une particule depuis un substrat donneur en direction d’un substrat cible, ledit substrat donneur formant une surface sur laquelle est déposée un film de liquide vecteur d’une épaisseur ezselon une direction verticale Z, ledit liquide vecteur contenant les objets à transférer de dimension (Dx, Dy, Dz), ledit transfert étant assuré par excitation énergétique locale dudit liquide pour former une bulle de cavitation localisée au niveau d’un objet, caractérisé en ce que le ratio Dz/ezest supérieur à 1, et de préférence supérieur à 0,5.
Selon une variante, lesdits objets sont des sphéroïdes constitués par une agrégation de cellules biologiques élémentaires.
Avantageusement, lesdites valeurs Dx, Dy, Dzsont supérieures à 100 µm et de préférence supérieures à 200 µm.
Selon une seconde variante, ladite excitation énergétique est réalisée par la focalisation d’un laser à l’interface entre la surface dudit substrat et ledit film de liquide vecteur.
Selon une deuxième variante, ladite excitation énergétique est réalisée par application d’un champ électrique.
Selon une troisième variante, le dépôt d’énergie est réalisé par la focalisation d’une onde acoustique à l’interface entre la surface dudit substrat et ledit film de liquide vecteur.
Avantageusement, le niveau d’énergie appliqué à chaque tir est fonction de la taille de l’objet située dans l’axe de tir.
Selon une variante, ledit substrat receveur (40) est déformable élastiquement selon l’axe Z.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte des étapes de déplacement dans le plan XOY d’un objet par application de tir avec une énergie au moins 2 fois inférieure à l’énergie requise pour un transfert de l’objet vers le substrat récepteur.
Avantageusement, les objets à transférer sont espacées d’une distance (d) caractéristique de valeur d > 0.5Dxy.
Selon une variante, les objets sont de nature biologique comprenant des agrégats cellulaires, des sphéroïdes, des organoïdes, des explants, des explants (îlots de Langherans), des particules de polymères encapsulant les cellules (organoïde recouvert d’une couche de biomatériau), des micro-carriers ensemencés de cellules, des billes de biomatériaux.
De préférence, la fraction volumique ou la densité volumique des objets biologiques transférés par propulsion au sein du tissu ou organe imprimé est supérieure à 30 %.
Selon une variante, le transfert est répété pour fabriquer un matériau, tissu ou organe et que la fraction volumique ou la densité volumique des objets biologiques transférés par propulsion dans ledit matériau, tissu ou organe imprimé est supérieure à 30 %.
Selon une autre variante, le procédé est combiné avec d’autres technologies d’impression comme l’extrusion, le jet d’encre, LIFT afin de fabriquer des matériaux ou tissus complexes comportant différents composants.
Selon une autre variante, le procédé est réalisé par l’utilisation de plusieurs faisceaux lasers simultanée lorsque l’objet a une forme non isotrope afin de garantir son transfert selon une trajectoire homogène.
L’invention concerne aussi un équipement de manipulation et de transfert par dépôt d’énergie impulsionnelle comportant :
  • une source d’énergie orientée vers le matériel à transférer,
  • un substrat donneur à partir duquel ledit matériel est manipulé et transféré par des impulsions énergétiques et,
  • un substrat receveur cible qui recueille le matériel transféré
Ledit substrat donneur comprend une lame recouverte par le matériel à transférer, constitué par un film liquide vecteur destiné à contenir des objets transférables de taille DxDyDz, caractérisé en ce que
  • lesdits objets transférables ont une orientation Dx,Dy dans le plan du film et Dz perpendiculaire au film
  • le ratio entre la dimension (Dz) de l’objet et l’épaisseur (e) du film liquide est supérieur à 1 et de préférence supérieur à 0,5.
De préférence, la source d’énergie est constituée par un laser.
Selon une variante, la lame du substrat donneur est transparente ou faiblement absorbante à la longueur d’onde dudit faisceau laser.
Selon un mode de réalisation particulier, il comporte un système opto-mécanique permettant de diriger le spot laser par rapport au centroïde ou centre de masse de l’objet.
Si l’objet a une forme particulière non isotrope, le système peut permettre l’utilisation simultanée de plusieurs faisceaux lasers dirigés en différents points dudit objet afin de le faire décoller de façon homogène.
Selon une première variante, la source d’énergie est constituée par générateur d’un champ électrique.
Selon une deuxième variante, la source d’énergie est constituée par générateur d’une onde acoustique.
Selon une variante, il comporte un système de contrôle et d’asservissement de la valeur d’énergie déposée en fonction de la taille de la particule à transférer.
Avantageusement, il intègre un système de détection des objets intelligent, des moyens d’automatisation des étapes de placement du matériel sur le substrat donneur et des étapes de manipulation / transfert.
Selon une variante, le substrat donneur est recouvert par une couche sacrificielle ayant des propriétés de forte absorption / conduction du dépôt d’énergie par laser ou par champ électrique.
Selon une variante, le substrat receveur n’est pas recouvert par une couche ayant des propriétés de forte absorption, celle-ci étant réalisée directement dans le liquide.
Selon une variante, il comporte un système optique de visualisation / détection pour repérer et cibler les objets à transférer, compatible avec une répartition aléatoire des objets sur le substrat donneur.
De préférence, ledit substrat donneur est disposé en-dessous dudit substrat receveur.
Selon une autre variante, il comporte au moins un autre moyen d’impression comprenant l’extrusion, le jet d’encre, le LIFT afin de fabriquer des matériaux ou tissus complexes comportant différents composants.
Selon une autre variante, il comporte un moyen pour délivrer plusieurs faisceaux lasers simultanément au niveau de l’objet lorsque celui-ci a une forme non isotrope afin de garantir son transfert selon une trajectoire homogène.
Selon une variante, l’équipement comporte un système de contrôle et d’asservissement de la valeur d’énergie déposée en fonction de la taille ou de la forme de l’objet à transférer, cette énergie étant déposée sous la forme d’un seul pulse, de plusieurs pulses répétés dans le temps sur un même point ou encore de plusieurs pulses envoyés simultanément selon un pattern XY lié à la forme de l’objet.
Selon une variante, le substrat receveur n’est pas recouvert par une couche ayant des propriétés de forte absorption laser pour initier le processus de propulsion, l’absorption étant alors réalisée directement la couche liquide se trouvant entre l’objet et le substrat donneur.
Selon une autre variante, le substrat donneur est constitué de micro-puits dans lesquels les objets à transférer sont disposés.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :
La représente une vue schématique du système de transfert
La représente un exemple de chronologie des différents composants du TRI pour la prise d’une image du jet à un instant T
La représente une vue éclatée d’un exemple de substrat donneur
La représente une vue en perspective d’un exemple de connecteur fluidique.
Présentation générale du système de transfert
Le système de transfert comporte plusieurs parties :
  • une partie optique comprenant un laser impulsionnel (10) pour produire l’énergie de cavitation du liquide vecteur et une caméra (20) pour l’observation du substrat donneur (30) et du substrat récepteur (40)
  • Une partie automate, avec un bras robot (50) utilisé pour l’automatisation de la manipulation du receveur (40)
  • un dispositif microfluidique (31) assurant l’alimentation du substrat donneur (30) avec le liquide vecteur et les particules à transférer
et optionnellement, le système peut comporter un extrudeur pour ajouter sur le substrat récepteur (40) un lien, par exemple un biomatériau de type hydrogel entre les couches de particules transférées.
Plus généralement, l’équipement peut combiner plusieurs technologies d’impression 3D, de bio-impression, de photo-polymérisation.
La partie optique du dispositif est constituée de deux parties, une partie comprenant la caméra (20) servant à viser les objets, et une partie comprenant le laser (10) servant à « tirer », c’est-à-dire délivrer des impulsions énergétiques dans un plan du substrat donneur (30) où se trouve une particule à transférer.
Le laser (10) est par exemple un laser Nd-YAG qui émet des impulsions de 1 à 10 ns à 1064 nm avec une énergie de 15 à 60 microjoules, sensiblement supérieure à l’énergie utilisée habituellement pour des procédés LIFT.
Selon un autre exemple, il est constitué par un laser à fibre pulsée Ytterbium émettant à 1030nm, avec impulsions plus courtes, de 350 femtosecondes à 10 picosecondes, avec plusieurs dizaines de microjoules d'énergie par impulsion.
La lentille (16) est typiquement une lentille F-Théta avec une distance focale de 100mm adaptée au balayage laser. La taille typique du spot au plan focal est de l'ordre de 30 à 35µm de diamètre.
Le faisceau laser (14) traverse une optique de mise en forme (13) puis est dirigé via un jeu de miroirs (11, 12) vers un scanner (15) qui enverra ensuite le faisceau à la verticale vers le substrat donneur (30), via la lentille F-Théta (16).
Le scanner (15) est composé de deux miroirs automatisés qui vont rediriger le faisceau à l’horizontale avec un certain angle en direction de l’objectif (16). L’objectif (16) va ensuite redresser le faisceau (14) pour qu’il arrive perpendiculaire au substrat donneur (30) et le focaliser. Les miroirs du scanner (15) permettent de commander le déplacement du faisceau laser (14) selon les axes horizontaux sur le substrat donneur (30). Le faisceau laser (14) est donc focalisé sur le substrat donneur (30) et dirigeable selon les axes X et Y définissant le plan horizontal.
Pour un substrat donneur (30), le faisceau (14) est focalisé sur la couche sacrificielle revêtant la surface du substrat, par exemple une couche d’or de 20 nanomètres déposée sur une fenêtre optique transparente.
La deuxième partie optique comprenant la caméra (20) est la partie servant à viser. En effet, les particules sont, dans le cas de la présente invention, des objets relativement gros, par exemple des sphéroïdes formés par un agrégat de cellules, avec un diamètre de plus de 100µm, typique de 200 µm à 300 µm. Ces objets sont répartis de façon aléatoire sur le substrat donneur (30) ; il est donc nécessaire de connaître la position et la taille des objets pour les viser avec un tir laser. Pour cela une source lumineuse dans le visible, typiquement une LED (21) est placée au-dessus de la cartouche, et le faisceau lumineux (22) passe par le scanner (15) en suivant le chemin inverse du faisceau laser. Il arrive ensuite au niveau d’un miroir semi-réfléchissant (12) qui laisse passer la lumière visible dirigée vers la caméra (20), mais réfléchit l’infrarouge vers le laser (10). Le faisceau passe ensuite par une lentille (23), un iris (24) et un objectif (25) avant d’arriver sur la caméra (20). Le tout est aligné de telle sorte à ce que le focus du faisceau laser (10) se fasse au centre de l’image récupérée par la caméra (20).
Nature des objets transférés
L’installation mise en œuvre par l’invention est similaire à une installation destinée à la bio-impression LIFT, à la différence que l’énergie des impulsions est au moins 2 voire 5 fois supérieure, et que le placement des objets à transférer diffère fondamentalement des solutions utilisées pour la bio-impression LIFT, où les particules à transférer forment une bio-encre où les particules sont de tailles très inférieures à l’épaisseur du film déposé sur le substrat donneur (30).
Dans le cadre de la présente invention, les objets présentent une taille de plus de 100µm, typiquement 200 à 400 µm voir plus, et sont positionnés dans un liquide, typiquement de l’eau additionnée de sels pour ajuster la densité, ou une solution de BSA (Bovine Serum Albumine) à 2%, formant un film d’une épaisseur inférieure à la taille des particules à transférer, de telle sorte que le substrat donneur (30) ne reçoit plus une bio-encre, mais des particules reposent partiellement dans un film aqueux ne les recouvrant pas totalement.
L’invention porte de façon non limitative au transfert de sphéroïdes formés par l’agrégation de cellules cultivées en laboratoire et présentant l’aspect d’une petite perle faite de cellules et de matrice extra-cellulaire.
Afin de produire les sphéroïdes, les cellules souches, progénitrices ou différenciées sont cultivées par des méthodes conventionnelles et ensemencées dans des micro-puits afin de produire des agrégats qui sont ensuite manipulés selon le procédé de la présente invention.
Séquences de tir
Le phénomène de LIFT est un processus qui se déroule sur des temps très courts, de l’ordre de la centaine de microsecondes, et peut être observé par un dispositif de TRI.
Le TRI (acronyme anglais de « Time Resolved Imaging » Imagerie résolue en fonction du temps) consiste à prendre des images d’un phénomène à un temps précis en synchronisant une caméra avec le laser (10) et une LED afin de prendre une photo à un moment précis du jet. Les trois composants sont synchronisés via une carte électronique afin de contrôler précisément l’activation des différents composants dans le temps. Afin d’obtenir une image du jet à un instant précis, la caméra est allumée durant plusieurs centaines de microsecondes, alors que la LED émet uniquement un flash lumineux de 2 µs à l’instant désiré. La LED est positionnée en face de la caméra, de sorte à éclairer le jet.
La présente la chronologie du TRI avec une échelle du temps en microsecondes. Dans un premier temps (100) on allume la caméra de l’analyseur, qui met 60 µs à s’allumer. Le laser (10) met 4 µs à s’allumer (105), et 5 µs de plus pour effectuer le tir laser. Si la caméra est allumée lors du tir laser, le faisceau est visible sur l’image et rend celle-ci moins lisible, il faut donc tirer avant que la caméra de l’analyseur soit allumée.
On commence donc à allumer (101) le laser (10) 50 µs après la caméra de l’analyseur, pour que le tir (102) ait lieu à 59 µs, soit 1 µs avant que la caméra de l’analyseur soit allumée (103). La caméra reste ensuite allumée pendant 500 µs. Enfin la LED va émettre une séquence de flash lumineux (110, 111) de 2 µs à partir du temps voulu (106), T µs après le tir laser, soit 59+T µs après l’allumage de la caméra, pour créer une image stroboscopique avec des intervalles de temps de 2µs entre deux flashs.
Les images ainsi obtenues montrent un comportement des particules très différent de celui observé dans l’état de la technique avec la bio-impression LIFT. La particule de grande taille est propulsée sans emporter une partie du liquide vecteur par la formation d’une bulle de cavité dans le film de liquide à l’interface entre la particule et le fond du substrat, et non pas sur un volume enveloppant de la particule. La particule émergeant du film liquide, elle écarte le liquide l’entourant, pour émerger directement du liquide vecteur et atteindre le substrat récepteur avec un emport très faible de liquide.
Substrat donneur
La représente une vue éclatée d’un substrat donneur (30) recevant le film de liquide technique et l’encre contenant les particules à transférer, étalées sur une cartouche qui sert de support pour les tirs laser. Elle est composée par un assemblage de quatre étages (31, 32, 33, 34) de verre et de PDMS. Le liquide technique a pour but de nettoyer la zone centrale du substrat donneur et à prémouiller la surface afin de faciliter l’étalement de l’encre à transférer contenant les particules.
La lame supérieure (31) de la cartouche est composée de Polydiméthylsiloxane et présente une fenêtre (35) entourant le volume cylindrique recevant le liquide technique et les particules. Elle constitue une couche hydrophobe formant un barrage afin d’éviter les débordements de liquide technique et de l’encre contenant les particules. Elle présente une épaisseur de 10 µm.
Une première lame intermédiaire (32) présente également une fenêtre (36) et sert à la fixation de la lame supérieure (31). Elle est réalisée en verre, d’épaisseur 0.5 mm. Elle sert également à faire barrage aux débordements.
Une deuxième lame intermédiaire (33) étage comporte une fenêtre (37) et deux canaux microfluidiques (38, 39), l’un permettant d’amener le liquide technique et l’autre de l’aspirer. Il est en Polydiméthylsiloxane et avec une épaisseur de 160 µm.
La lame inférieure (34) est en verre et mesure 0.5 mm d’épaisseur. Elle comporte deux trous (48, 49) au niveau de l’arrivée des canaux micro-fluidiques de la lame (33). Ces deux trous (48, 49) servent d’entrée et sortie dans la cartouche. La lame inférieure (34) est revêtue d’une couche d’or de 20 nm dans le périmètre correspondant aux fenêtres (35, 36, 37).
L’assemblage de ces quatre étages (31 à 34) forme le substrat donneur (30).
Connecteur fluidique
Le substrat donneur (30) est accroché sur un connecteur fluidique (50) représenté en , présentant quatre canaux (51 à 54) sur sa partie supérieure. Sur ces quatre entrées / sorties (51 à 54) sont posées des joints ou valves à lèvres afin d’assurer l’étanchéité. Lorsque le substrat donneur (30) est posé sur le connecteur fluidique (50), les trous (51, 53) vont coïncider avec les évidoirs (48, 49) de la cartouche (50) et permettre l’entrée et la sortie du liquide technique. L’entrée de ces deux canaux se fait sur le côté du connecteur fluidique (50), et sont reliés, par des tuyaux blancs à des pompes permettant la circulation du liquide technique. Les deux pompes sont reliées à un réservoir contenant le liquide technique. Les particules à transférer sont ensuite déposées sur le film avec une pipette par exemple portée par un bras robotisé. Les deux autres trous (51, 54) du connecteur fluidique (50) sont reliés à une pompe à vide et servent à plaquer le substrat donneur (30) sur le connecteur fluidique (50) par aspiration.
Le connecteur fluidique (50) est monté sur un ensemble de trois vis micrométriques selon les trois axes. La vis micrométrique verticale sert à déplacer le substrat donneur (30) selon l’axe Z afin de se placer sur le plan focal du laser. Les deux vis horizontales servent à déplacer le substrat donneur (30) selon les axes X et Y, afin de viser différents endroits de la cartouche, alternativement à l’utilisation du scanner.
Les deux pompes fluidiques sont contrôlées par ordinateur via un logiciel. Plusieurs routines sont enregistrées, notamment celle permettant le prémouillage de la cartouche. En effet, la préparation du liquide technique pour l’impression se fait en deux étapes. Dans un premier temps un film de prémouillage est effectué sur le fond du substrat donneur (30). Pour cela un volume de liquide technique est envoyé par le premier canal, alors que la pompe du canal d’aspiration n’est pas enclenchée. Ainsi le liquide technique va s’accumuler sur la surface du substrat donneur (30), et recouvrir toute la surface, puis le canal d’aspiration entre en jeu alors que l’apport de liquide technique est stoppé. Ainsi le film épais va s’affiner mais le liquide technique restera étalé sur l’ensemble de la surface du substrat donneur (30), le fond est bien prémouillé. Une fois ce film prêt, on vient déposer à la pipette un volume précis d’encre contenant des particules à transférer, qui s’étalera sur le substrat donneur (30).
Transfert d’une particule
La particule est éjectée dès la première bulle de cavitation, qui est beaucoup plus grande que dans les solutions LIFT connue, en raison de la puissance supérieure et du faible volume de liquide compris entre la face inférieure de la particule et le fond du substrat donneur. La particule est éjectée seule, hors du liquide avec un phénomène de propulsion balistique. La bulle de cavitation explose et expulse par cette occasion la particule vers le haut à une vitesse importante. Au bout de 150 µs une particule de Polyéthylène se trouve à environ 3 mm de hauteur, soit une vitesse de 20 m/s. Elle atteint le substrat récepteur (40) quasi-sèche et entourée d’éclaboussures résiduelles de liquide.
L’éjection de sphères de collagène de 250 µm est plus lente que pour les billes de Polyéthylène. La particule atteint 3mm de hauteur en 800 µs, contre 100 µs pour le polyéthylène. Le transfert de sphéroïdes de cellules a un comportement similaire à celui décrit pour le collagène car leur forme et leur densité sont très proches. Par exemple, le transfert d’un sphéroïde d’IPSC (cellules souches) atteint également 3 mm de hauteur en 700 à 800 µs.
La base du jet met 100 µs à se former avec une sphère de collagène ou faite d’IPSC. De plus, on peut voir qu’il y a un seul et unique jet. En effet la couronne caractéristique du second jet n’est pas présente. Entre 200 µs et 600 µs, le jet est formé du sphéroïde d’IPSC au sommet du jet, et que le liquide vecteur forme le reste du jet, toujours attaché à la base. Cependant après 700 µs, le sphéroïde d’IPSC se détache du jet, et le liquide retombe. Le sphéroïde continue alors son vol sans ou avec peu de liquide, comme pour le polyéthylène. La brisure du jet se fait à un temps similaire que pour le jet de bio-encre, c’est à dire autour de 700 µs.
A la différence des solutions LIFT connues, toute l’énergie de cavitation propulse la particule, sans perte pour lui faire traverser et quitter la couche de liquide qui se trouve autour d’elle et qui peut représenter une masse supérieure à celle de la particule elle-même. La particule ne subit par ailleurs, avec le procédé selon l’invention, que peu de frottements fluides lors de son éjection du liquide vecteur du fait de la viscosité de ce dernier.
Transfert sur le substrat récepteur
Le transfert se fait du substrat donneur (30), la cartouche contenant les particules à transfert, vers un substrat receveur (40) constitué par une plaque de culture cellulaire ou une lame de verre.
La distance entre le substrat donneur (30) et le substrat donneur (30) est critique. Elle doit être supérieure à la durée nécessaire à la séparation du filament de liquide reliant la particule lors de parcours initial. En effet, les particules peuvent du fait de leur porosité et/ou de leur caractère hydrophile, entraîner du liquide qui forme une sorte de lien (pont capillaire) tant que la particule reste proche de la surface du film de liquide, et qui se rompt à partir d’une certaine distance dépendant des caractéristiques du liquide d’une part et de la particule d’autre part. Typiquement, cette distance est de quelques millimètres, généralement entre 3 et 5 mm. La distance doit par ailleurs être limitée pour que l’énergie cinétique soit suffisante pour garantir que la plupart des particules atteignent le substrat récepteur. Une distance comprise entre 3 et 10 mm est habituellement appropriée, mais l’homme du métier saura déterminer la distance optimale en observant, par exemple avec le procédé TRI susvisé, la formation et la rupture du filament de liquide se formant lors de la trajectoire des particules. Cette distance pourra aussi être choisie pour minimiser la vitesse d’impact de l’objet sur le receveur.
Pour amortir l’impact des particules sur la surface du substrat récepteur (40), une solution consiste à déposer sur sa surface réceptrice un revêtement élastique, par exemple un film de collagène à 4 mg/ml. Le collagène, comme tout autre hydrogel, est plus élastique que le verre et va se déformer lors de l’impact d’une particule, ce qui rend le choc moins violent pour la particule transférée qui conserve sa forme originelle.
Déplacement d’une particule
La précision du tir laser constitue un paramètre important. Lorsque le centre du tir est décalé dans le plan XOY horizontal de plus de 50 µm par rapport au centroïde (ou centre de masse) de la particule, le pourcentage de particules transférées décroît rapidement, et la précision de la localisation décroît et au-delà de 80 µm de décalage du tir par rapport au centre de la particule, pour des particules de 200 µm de diamètre moyen, le transfert échoue.
Le positionnement du faisceau laser peut-être assuré par le scanner (15) ou par le positionnement du substrat donneur (30) par exemple par une action sur les vis micrométriques assurant le positionnement du connecteur fluidique (50) ou encore par des tirs laser de faibles puissances, par exemple d’une puissance inférieure à la moitié de la puissance requise pour le transfert, à proximité d’une particule à déplacer dans le plan XOY horizontal.
Avantages et inconvénients d’une couche sacrificielle
La couche sacrificielle permet d’assurer une absorption constante et reproductible sur l’ensemble de la surface du substrat donneur. Elle permet en outre de vérifier le bon fonctionnement du laser grâce aux spots ablatés visibles sur la couche sacrificielle.
Pour autant, le recours à une couche sacrificielle est coûteux et prend du temps mais surtout implique de devoir changer le substrat donneur dès que le taux d’ablation devient trop important. Or pour la fabrication de tissus en grand nombre et / ou en grande taille le nombre de substrat donneur nécessaire peut très vite devenir très important, allongeant de fait le temps et le coût de production desdits tissus.
L’intérêt d’utiliser une approche sans couche sacrificielle est donc très important pour des applications de production à grande échelle, en particulier pour les domaines cliniques et industriels. L’impression d’objets de grande taille comme les sphéroïdes par un système travaillant sans couche sacrificielle est donc particulièrement intéressant pour réduire le temps et le coût de fabrication.
Les solutions de types laser à impulsions ultra-courtes (régime femtoseconde / picoseconde) ou laser travaillant dans le domaine de longueur d’onde du Mid-IR (2.6 à 3.2 µm) sont tout à fait utilisables dans ce contexte.

Claims (29)

  1. - Procédé de transfert d’au moins un objet depuis un substrat donneur (30) en direction d’un substrat cible (40), ledit substrat donneur (30) formant une surface sur laquelle est déposée un film de liquide vecteur d’une épaisseur ezselon une direction verticale Z, ledit liquide vecteur contenant les objets à transférer de dimension (Dx, Dy, Dz), ledit transfert étant assuré par excitation énergétique locale dudit liquide pour former une bulle de cavitation localisée au niveau d’un objet, caractérisé en ce que le ratio Dz/ezest supérieur à 1, et de préférence supérieur à 0,5.
  2. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits objets sont des sphéroïdes constitués par l’agrégation de cellules biologiques élémentaires.
  3. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites valeurs Dx, Dy, Dzsont supérieures à 100 µm et de préférence supérieures à 200 µm.
  4. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite excitation énergétique est réalisée par la focalisation d’un laser (10) à l’interface entre la surface dudit substrat et ledit film de liquide vecteur.
  5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite excitation énergétique est réalisée par application d’un champ électrique.
  6. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dépôt d’énergie est réalisé par la focalisation d’une onde acoustique à l’interface entre la surface dudit substrat et ledit film de liquide vecteur.
  7. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le niveau d’énergie appliqué à chaque tir est fonction de la taille de l’objet situé dans l’axe de tir.
  8. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat receveur (40) est déformable élastiquement selon l’axe Z.
  9. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de déplacement dans le plan XOY d’un objet par application de tir avec une énergie au moins 2 fois inférieure à l’énergie requise pour un transfert de l’objet vers le substrat récepteur.
  10. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les objets à transférer sont espacés d’une distance (d) caractéristique de valeur d > 0.5Dxy.
  11. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les objets sont de nature biologique comprenant des agrégats cellulaires, des sphéroïdes, des organoïdes, des explants, des explants (îlots de Langherans), des particules de polymères encapsulant les cellules (organoïde recouvert d’une couche de biomatériau), des micro-carriers ensemencés de cellules, des billes de biomatériaux.
  12. - Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que le transfert est répété pour fabriquer un matériau, tissu ou organe et que la fraction volumique ou la densité volumique des objets biologiques transférés par propulsion dans ledit matériau, tissu ou organe imprimé est supérieure à 30 %.
  13. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est combiné avec d’autres technologies d’impression comprenant l’extrusion, le jet d’encre, LIFT afin de fabriquer des matériaux ou tissus complexes comportant différents composants.
  14. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transfert est réalisé par l’utilisation de plusieurs faisceaux lasers simultanée lorsque l’objet a une forme non isotrope afin de garantir son transfert selon une trajectoire homogène.
  15. 15 - Équipement de manipulation et de transfert par dépôt d’énergie impulsionnelle comportant :
    • une source d’énergie (10) orientée vers le matériel à transférer,
    • un substrat donneur (30) à partir duquel ledit matériel est manipulé et transféré par des impulsions énergétiques et,
    • un substrat receveur cible (40) qui recueille le matériel transféré
    Ledit substrat donneur (30) comprend une lame (34) recouverte par le matériel à transférer, constitué par un film liquide vecteur destiné à contenir des objets transférables de taille DxDyDz, caractérisé en ce que
    • lesdits objets transférables ont une orientation Dx,Dy dans le plan du film et Dz perpendiculaire au film
    • le ratio entre la dimension (Dz) de l’objet et l’épaisseur (e) du film liquide est supérieur à 1 et de préférence supérieur à 0,5.
  16. - Équipement selon la revendication 15 caractérisé en ce que la source d’énergie (10) est constituée par un laser.
  17. - Équipement selon la revendication 16 caractérisé en ce que la lame (34) du substrat donneur (30) est transparente ou faiblement absorbante à la longueur d’onde dudit faisceau laser (10).
  18. - Équipement selon la revendication 17 caractérisé en ce qu’il comporte un système opto-mécanique (15) permettant de diriger le spot laser par rapport au centroïde ou centre de masse de l’objet.
  19. - Équipement selon la revendication 15 caractérisé en ce que la source d’énergie (10) est constituée par générateur d’un champ électrique.
  20. - Équipement selon la revendication 15 caractérisé en ce que la source d’énergie (10) est constituée par générateur d’une onde acoustique.
  21. - Équipement selon la revendication 20, caractérisé en ce qu’il comporte un système de contrôle et d’asservissement de la valeur d’énergie déposée en fonction de la taille ou de la forme de l’objet à transférer, l’énergie étant déposée sous la forme d’un seul pulse, de plusieurs pulses répétés dans le temps sur un même point ou encore de plusieurs pulses envoyés simultanément selon un pattern XY lié à la forme de l’objet.
  22. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il intègre un système de détection des objets intelligent, des moyens d’automatisation des étapes de placement du matériel sur le substrat donneur et des étapes de manipulation / transfert.
  23. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce que le substrat donneur (30) est recouvert par une couche sacrificielle ayant des propriétés de forte absorption / conduction du dépôt d’énergie par laser ou par champ électrique.
  24. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce que le substrat receveur (40) n’est pas recouvert par une couche ayant des propriétés de forte absorption laser pour initier le processus de propulsion, l’absorption étant alors réalisée directement la couche liquide se trouvant entre l’objet et le substrat donneur.
  25. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte un système optique de visualisation / détection pour repérer et cibler les objets à transférer, compatible avec une répartition aléatoire des objets sur le substrat donneur.
  26. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit substrat donneur (30) est disposé en-dessous dudit substrat receveur (40).
  27. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un autre moyen d’impression comprenant l’extrusion, le jet d’encre, le LIFT afin de fabriquer des matériaux ou tissus complexes comportant différents composants.
  28. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’il comporte un moyen pour délivrer plusieurs faisceaux lasers simultanément au niveau de l’objet lorsque celui-ci a une forme non isotrope afin de garantir son transfert selon une trajectoire homogène.
  29. - Équipement selon la revendication 15, caractérisé en ce que le substrat donneur est constitué de micro-puits dans lesquels les objets à transférer sont disposés.
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