Développement d’une bio-imprimante 3D opto-fluidique pour l’impression haute résolution et multimatériaux d’hydrogel

Au cours de cette étude, nous avons introduit un concept novateur d'impression 3D à des fins biologiques. La plateforme 3D-FlowPrint a été conçue pour réaliser des impressions en haute résolution avec plusieurs matériaux. Cette approche vise à pallier les lacunes actuelles des technologies existantes. La micro-extrusion, la stéréolithographie et les sondes microfluidiques ont parfois la capacité d'imprimer des objets hétérogènes, d'imprimer en hautes résolutions ou de précisément manipuler des fluides, mais jamais toutes ces conditions ne sont réunies de manière satisfaisante. La plateforme 3D-FlowPrint adopte un système microfluidique pour acheminer les fluides jusqu'à une tête d'impression immergée, où la solution injectée est photopolymérisée. En dissociant l'apport du matériau de sa polymérisation, cette plateforme parvient à offrir à la fois une haute résolution et la possibilité de travailler avec divers matériaux.Le cœur de cette plateforme réside dans la conception de sa tête d'impression. Cette tête permet l'injection et la récupération des fluides sans contamination de l'environnement, tout en facilitant la transmission de la lumière d'un laser via une fibre optique intégrée. Pour atteindre ces objectifs, nous avons élaboré quatre générations successives de têtes d'impression. La première génération, usinée et moulée, a démontré la faisabilité du concept, mais avait des marges d'amélioration. La deuxième génération, entièrement imprimée en 3D, offrait de nouvelles possibilités géométriques et un prototypage rapide, mais posait des problèmes en matière d'interface optique. La troisième génération, combinant impression 3D et assemblage de matériaux optiquement compatibles, a permis des impressions reproductibles de PEGDA pour développer et caractériser la plateforme. Cependant, cette génération avait des limitations pour l'impression de GelMA. La quatrième génération a surmonté ce problème en introduisant une bulle d'air sous la tête et résolvant ainsi les défis de la troisième génération.Ce manuscrit analyse aussi le système microfluidique en place. Les têtes d'impression fonctionnent en immersion pour autoriser l'impression dans des environnements cellulaires. Ces têtes comprennent un canal d'injection et un canal d'aspiration, ainsi que des reliefs de surface pour assurer la collecte complète de la solution injectée, minimisant la contamination. Via des simulations numériques, des diagrammes de phase ont été établis pour évaluer le taux de récupération du matériau injecté. Ces simulations ont orienté l'optimisation des reliefs de surface pour améliorer les performances des têtes d'impression. De plus, la capacité à changer de fluide au cours d'une impression multimatériaux a été analysée.L'introduction d'une fibre optique dans la tête d’impression a permis la photopolymérisation de la solution injectée. La plateforme a gagné en versatilité avec deux vitesses d'impression grâce à des têtes d'impression imprimées en 3D comprenant deux fibres optiques. Les seuils de photopolymérisation du PEGDA et du GelMA ont été étudiés, et l'impact des flux sur la photopolymérisation a été vérifié. Ces analyses ont abouti à l'impression de structures 2D, 3D et multimatériaux de manière reproductible avec une précision jusqu'à 7 um.En tant que preuve de concept pour des applications biologiques, la plateforme a été utilisée pour quatre approches différentes. Premièrement, des objets en PEGDA inhibent l'adhérence cellulaire sur des parties spécifiques du substrat, permettant d'étudier le développement contraint géométriquement. Deuxièmement, des structures de soutien (scaffold) pour des tissus surfaciques en 3D ont été imprimées. Troisièmement, l'impression de cellules en suspension dans du GelMA a été réalisée ainsi que la caractérisation de la viabilité cellulaire de cette méthode. Finalement, une plateforme hybride a été développée pour la coimpression d'hydrogels et le positionnement de sphéroïdes en trois dimensions.