MANUTECH : Le laser femtoseconde au

service des besoins industriels

Contact : Olivia ROFIDAL – olivia.rofidal@manutech-usd.fr

www.manutech-usd.fr

EXPOSÉ

• La démarche MANUTECH

• La mise en œuvre des lasers femto chez

MANUTECH

• Les applications et exemples de réalisation

– Ostéointégration et machine hybride

– Découpe et texturation de greffons cornéens

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LA DÉMARCHE MANUTECH : FONCTIONNALISER

LES SURFACES PAR LASER ULTRA-BREF

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EQUIPEX MANUTECH avec ses partenaires

Partenaires publics de MANUTECH LABEX MANUTECH UJM, ECL, ENISE, Ecole de Mines, ECAM, INSA Lyon

Partenaires privés de MANUTECH (IREIS, WEARE,

Science et Surfaces) Porteurs de projet

Partenaires industriels

compréhension Pré-industrialisation Production

DES COMPÉTENCES INTÉGRÉES ET MULTIPLES

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MANUTECH

• Expertises des surfaces

• Analyses XPS / AES / SIMS

• Tribologie industrielle

• Technologies PVD / PECVD

• Treatements des surfaces

• Materiaux métalliques & surfaces

• Fatigue des composants mécaniques

• Ingénierie des assemblages

• Procédés laser ultrabrefs

• Interaction laser matière

• Micro / nano texturation

• Sol-gel, photo-organization

• Traitements d’image

• Matériaux

• Durabilité

• Réactivité de surface

• Poudre & matériaux multicomposants

• Jet d’encre

• Analyses multiphysiques locales

• Tribologie

• Tribochimie

• Adhérence et adhésion

• Nano-mécanique

• Procédés de fabrication

• Modelisation, simulation

• Tribologie

• Lubrifiants

• Mecanique des contacts

• Modelisation, simulation

• Metal Injection Molding (MIM)

DES ÉQUIPEMENTS AU SERVICE DE LA R&D

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TEXTURATION LASER ULTRA-BREF

CARACTERISATION DES MATERIAUX

PLATEFORME DE CARACTERISATION

MULTI-ECHELLE MULTIFONCTIONNELLE La Centrale-USD

• 6 lasers femtoseconde de 20W à 100W

• 4 environnements opto-mécanique dédiés à l’ablation : platines et bras

robot

• 2 machines fab additive couplées au laser femto

• Méthodes ablatives et additives

Le FIB

P2M

• Topographie

• Mouillabilité

• Rhéologie (indentation, sclérométrie, tribologie)

• FIB- MEB

• EDX-EBSD

Réalisation de surfaces modèles Caractérisation des ces surfaces

LES PLATEFORMES DE TEXTURATION

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Lasers femtoseconde

3 environnements platines Surfaces planes jusqu’à 300*600 mm Pièces de révolution Taille faisceau de 1µm à 50µm

1 bras robot équipé d’un laser femto fibré Surfaces planes jusqu’à 1 m2 Pièces complexes

2 machines hybride (LBM + laser femto) Finition et texturation de pièces 3D

AUGMENTATION DES CADENCES

Augmentation des cadences de texturation d’un facteur 80

• Vidéo 1 / augmentation des cadences laser

• Vidéo 2 / avec mise en forme de faisceau

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APPLICATIONS

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SURFACE

Adhésion cellulaire

Déperlance sur tissus

Anti-givrage

Découpe de précision

FONCTIONNALISER UNE SURFACE, c'est modifier ses caractéristiques afin de lui conférer des propriétés particulières

Anti -salissures

Piège à ondes

Augmentation des rendements optiques

Etanchéité

Réduction des frottements

Réduction de la trainée

APPLICATIONS

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SURFACE

FONCTIONNALISER UNE SURFACE, c'est modifier ses caractéristiques afin de lui conférer des propriétés particulières

Découpe et surfacing femtoseconde de supports pour le

bioengineering cornéen

Texturations d’alliage de titane par laser femtoseconde : effets sur l’adhérence et la différenciation cellulaire

Adhésion cellulaire

Découpe de précision

TEXTURATIONS D’ALLIAGE DE TITANE PAR LASER FEMTOSECONDE : EFFETS SUR L’ADHÉRENCE ET LA DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE

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DUMAS V. al. Femtosecond laser nano/micro patterning of titanium influences mesenchymal stem cell adhesion and commitment. Biomedical Materials, 2015

Projet INSTEAD : Passage à la 3D

Macro

Contacts focaux

Cellule souche mésenchymateuse

Fonctionnaliser la surface des implants dentaires, orthopédiques: Interactions cellules/surfaces

Améliorer l’interface os/implant

Différenciation ostéoblastique = ostéointégration de l’implant

Adsorption des protéines

cytosquelette

Micro / nanotopographie Fibres matricielles

Différenciation Prolifération…

MECANOTRANSDUCTION

Tissu osseux Tissu osseux Implant Ti6Al4V

Micro Nano

Gittens RA, Biomaterials 2011

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Topographies hautement variables

Forte modification de la chimie de surface

Attaque acide/ sablage Projection Plasma

Inconvénients des techniques classiques

Réponses cellulaires difficilement interprétables

Traitements de surface classiques des implants métalliques

Topographies contrôlées : micro et nanométriques dans une même structure. Précision et reproductibilité => un outil pour comprendre les interactions cellules/surfaces

Texturations par laser femtoseconde sur le Ti6Al4V Nanostructures = ripples (orientation, localisation) Microstructures= cratères, stries…

Szmukler, J. Biomed. Mater. Res.2004 Ong JL. Biomaterials 2004

Dumas V. et al 2012. J Biomed Mater Res Part A

Dumas V. et al 2015 Biomedical Materials

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Morphologie cellulaire sur les surfaces texturées par laser 24h

L’aire des cellules diminue sur toutes les textures. Sur les textures A et B, les cellules ont une forme étoilée et présentent de nombreux prolongements cytoplasmiques. Sur la texture C, on observe une élongation cellulaire dans la direction des ripples.

20µm

Poli miroir

20µm

20µm

Texture A

Texture B Texture C

20µm

Quantification des paramètres morphologiques (Imagej)

n=100-150 cellules. Moy±SEM, *p<0,05 vs poli, # p<0,05 vs A et B.

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C3H10t1/2, CSM murines

Cellules souches

A plus long terme…. LA DIFFERENCIATION

Cellules souches mésenchymateuses

Texturations laser

Voie ostéoblastique

Voie adipocytaire

7-14 jours ?

24h Changements morphologiques

Modification de l’adhésion cellulaire

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C3H10T1/2

Perspectives 3D :

Projet INSTEAD : Couplage de la fabrication additive à un laser femtoseconde

Fabrication Additive

Architectures 3D Surfaces texturées

ripples

+ Femtosecond Laser

Nouveaux Scaffolds 3D

Laser femtoseconde = fonctionnalisation de surface

Fabrication additive = implants personnalisés, macroarchitectures poreuses

Cellules souches

Bioréacteur : culture cellulaire 3D

Pompe

milieu de culture Ti6Al4V

MACHINE HYBRIDE

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Le laser pulsé vient se greffer à la machine SLM avec la mise en place d’un bloc

optique unique permettant d’utiliser alternativement le laser continu et le laser

pulsé(1)

(1) Brevet déposé

SLM

Laser femto

Femto laser fibré

Laser continu fibré

Système de contrôle

Pilotage du process

Alimentation

Optique

MACHINE HYBRIDE

Ablation au laser femtoseconde entre chaque couche additive :

– Reprise en rugosité de la surface

– Fonctionnalisation de la surface

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Surface initiale (mur) Ra = 5,375µm

Amélioration d’un facteur 10

Surface après polissage laser femto Ra = 0,519µm

Poudre de TA6Al4V

Scaffolds 3D (design adapté au bioréacteur IVTV : Thèse de Laura Juignet)

Fabrication Additive

Améliorer l’état de surface interne et

obtenir une texturation (ripples)

10,7 x 5mm

D=700µm

Sa=25µm

Objectif

Projet INSTEAD

SUPCO : SUPPORT CORNÉEN

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Découpe et surfacing femtoseconde de supports pour le bioengineering cornéen

ENJEUX

Enjeux

• Lutter contre la pénurie de greffons permettant de lutter

contre la cécité

=> Obtenir le maximum de greffons cornéens à partir d’une

cornée

Cahier des charges

• être transparent et de grande qualité optique,

• avoir une résistance mécanique suffisante pour permettre

les manipulations au laboratoire puis au bloc

• faciliter l’adhérence et la fonction des cellules

endothéliales

• être fin et régulier. Epaisseur <100µm

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ENJEUX

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Système actuel : 1 greffon in vivo par cornée Découpe microkératome

Découpe 5 à 7 support de greffons Décellularisation Fonctionnalisation par fs Endothélialisation des supports

DÉCOUPE DES SUPPORTS

CORNEÉNS

• Record de12 lamelles de

greffons cornéens réalisées

dans une cornée avec le laser fs

• (objectif initial 5 à 7 lamelles)

• Système de découpe en cours

de dépôt de brevet

• Epaisseur obtenue <80µm

• Rugosité de surface équivalente

au système microkératome

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Observation OCT de la découpe Observation OCT des lames après détachement

TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN

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TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN /

FACE 1

Texturations en cours de test dans culture de cellules primaires endothéliales

pour identifier le motif favorisant la meilleur prolifération

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Côté cellules endothéliales : favoriser la prolifération des CEs

TEXTURATION DU GREFFON CORNÉEN /

FACE 2

Côté receveur : favoriser l’adhérence

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POUR CONCLURE : LE LASER FS SÉDUIT DE

PLUS EN PLUS D’INDUSTRIELS

• GRANDE SOUPLESSE DANS LA FORME DE LA TEXTURATION, DANS

QUASIMENT TOUS LES MATERIAUX

• EFFETS THERMIQUES TRES LIMITES (LASERS ULTRACOURTS)

• TAILLE DES MOTIFS: 1-100 µm

• TEXTURATION MULTI-ECHELLES

• GRANDE MAITRISE DE LA PROFONDEUR ABLATEE

• PAS DE PRODUITS CHIMIQUES

• PAS D'USURE D'OUTILS

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MERCI POUR VOTRE ATTENTION