Les chercheurs ont utilisé une fibre optique logée à l'intérieur de l'aiguille illustrée pour fournir de la lumière aux microstructures d'impression 3D. La lumière durcit sélectivement les volumes à l'intérieur de la goutte de photopolymère sur la lame de verre. Le nouveau système pourrait un jour permettre l'impression 3D à l'intérieur du corps. Crédit :Damien Loterie et Paul Delrot, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Pour la première fois, des chercheurs ont montré qu'une fibre optique aussi fine qu'un cheveu humain peut être utilisée pour créer des structures microscopiques avec une impression 3D à base de laser. L'approche innovante pourrait un jour être utilisée avec un endoscope pour fabriquer de minuscules structures biocompatibles directement dans les tissus à l'intérieur du corps. Cette capacité pourrait permettre de nouvelles façons de réparer les lésions tissulaires.
"Avec des développements ultérieurs, notre technique pourrait permettre des outils de microfabrication endoscopique qui seraient précieux pendant la chirurgie, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Paul Delrot, de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, La Suisse. "Ces outils pourraient être utilisés pour imprimer des structures 3D à l'échelle micro ou nanométrique qui facilitent l'adhésion et la croissance des cellules pour créer des tissus modifiés qui restaurent les tissus endommagés."
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs montrent que leur nouvelle approche peut créer des microstructures avec une résolution d'impression latérale de 1,0 micron (côté à côté) et axiale (profondeur) de 21,5 microns. Bien que ces microstructures aient été créées sur une lame de microscope, l'approche pourrait être utile pour étudier comment les cellules interagissent avec diverses microstructures dans des modèles animaux, ce qui aiderait à ouvrir la voie à l'impression endoscopique chez l'homme.
Pour créer les microstructures, les chercheurs ont plongé l'extrémité d'une fibre optique dans un liquide appelé photopolymère qui se solidifie, ou guérit, lorsqu'il est éclairé avec une couleur de lumière spécifique. Ils ont utilisé la fibre optique pour délivrer et focaliser numériquement la lumière laser point par point dans le liquide afin de construire une microstructure tridimensionnelle.
En imprimant des détails délicats sur de grandes pièces, le nouvel outil de microfabrication ultra-compact pourrait également être un complément utile aux imprimantes 3D disponibles dans le commerce d'aujourd'hui qui sont utilisées pour tout, du prototypage rapide à la fabrication de dispositifs médicaux personnalisés. "En utilisant une tête d'impression à faible résolution pour les pièces en vrac et notre appareil comme tête d'impression secondaire pour les détails fins, la fabrication additive multi-résolution pourrait être réalisée, " dit Delrot.
Simplifier la configuration
Les techniques actuelles de microfabrication à base de laser reposent sur un phénomène optique non linéaire appelé photopolymérisation à deux photons pour durcir sélectivement un volume profondément à l'intérieur d'un matériau photosensible liquide. Ces techniques sont difficiles à utiliser pour des applications biomédicales car la photopolymérisation à deux photons nécessite des lasers complexes et coûteux qui émettent des impulsions très courtes ainsi que des systèmes optiques encombrants pour délivrer la lumière.
En utilisant un laser bon marché et une fibre optique ultrafine, les chercheurs ont créé des microstructures creuses comme celle illustrée ici. Ils ont pu créer des microstructures avec une résolution d'impression latérale de 1,0 micron (côté à côté) et axiale (profondeur) de 21,5 microns. Crédit :Paul Delrot, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
« Notre groupe possède une expertise dans la manipulation et la mise en forme de la lumière à travers des fibres optiques, ce qui nous a amené à penser que les microstructures pouvaient être imprimées avec un système compact. En outre, rendre le système plus abordable, nous avons profité d'un photopolymère avec une dose-réponse non linéaire. Cela peut fonctionner avec un simple laser à onde continue, des lasers pulsés si coûteux n'étaient pas nécessaires, " dit Delrot.
Pour durcir sélectivement un volume spécifique de matériau, les chercheurs ont profité d'un phénomène chimique dans lequel la solidification ne se produit qu'au-delà d'un certain seuil d'intensité lumineuse. En réalisant une étude détaillée des paramètres de balayage de la lumière et du comportement du photopolymère, les chercheurs ont découvert les meilleurs paramètres pour utiliser ce phénomène chimique pour imprimer des microstructures en utilisant une faible puissance, laser peu coûteux qui émet en continu (plutôt que pulsé).
Pour créer des microstructures creuses et pleines, les chercheurs ont utilisé un précurseur de polymère organique dopé avec un photoinitiateur composé de composants chimiques du commerce. Ils ont concentré une lumière laser à onde continue à une longueur d'onde de 488 nanomètres – une lumière de longueur d'onde visible qui est potentiellement sans danger pour les cellules – à travers une fibre optique suffisamment petite pour tenir dans une seringue. En utilisant une approche connue sous le nom de mise en forme du front d'onde, ils ont pu focaliser la lumière à l'intérieur du photopolymère de sorte que seul un petit point 3D soit durci. L'exécution d'une étape d'étalonnage avant la microfabrication leur a permis de focaliser et de balayer numériquement la lumière laser à travers la fibre optique ultra-mince sans déplacer la fibre.
« Par rapport aux systèmes de pointe de photopolymérisation à deux photons, notre appareil a une résolution d'impression plus grossière, cependant, il est potentiellement suffisant pour étudier les interactions cellulaires et ne nécessite pas de systèmes optiques encombrants ni de lasers pulsés coûteux, " a déclaré Delrot. " Étant donné que notre approche ne nécessite pas de composants optiques complexes, il pourrait être adapté pour être utilisé avec les systèmes endoscopiques actuels."
Vers une utilisation clinique
Les chercheurs travaillent au développement de photopolymères biocompatibles et d'un système de délivrance de photopolymère compact, qui sont nécessaires avant que la technique puisse être utilisée chez l'homme. Une vitesse de numérisation plus rapide est également nécessaire, mais dans les cas où la taille de l'instrument n'est pas critique, cette limitation pourrait être surmontée en utilisant un endoscope commercial au lieu de la fibre ultra-mince. Finalement, une technique pour finaliser et post-traiter la structure imprimée à l'intérieur du corps est nécessaire pour créer des microstructures avec des fonctions biomédicales.
« Nos travaux montrent que la microfabrication 3D peut être réalisée avec d'autres techniques que la focalisation d'un laser pulsé femtoseconde de haute puissance, " a déclaré Delrot. " L'utilisation de lasers ou de sources lumineuses moins complexes rendra la fabrication additive plus accessible et créera de nouvelles opportunités d'applications telles que celle que nous avons démontrée. "
