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/ cm ³ 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 cm ⁴ ) 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