Development of an opto-fluidic 3D bio-printer for high resolution and multimaterial printing of hydrogel
Développement d’une bio-imprimante 3D opto-fluidique pour l’impression haute résolution et multimatériaux d’hydrogel
Résumé
Here, we introduce a pioneering concept in 3D printing applied to biological applications. The 3D-FlowPrint platform has been devised to execute high-resolution prints using multiple materials. The 3D-FlowPrint platform employs a microfluidic system to channel fluids to a submerged printhead, where the injected solution undergoes photopolymerization. By decoupling material deposition from polymerization, this platform attains both high resolution and the versatility to work with diverse materials.
The heart of this platform resides in the design of its printhead. This printhead enables fluid injection and retrieval without environmental contamination, while facilitating laser transmission through an integrated optical fiber. To achieve these goals, we have combined 3D printing with optically compatible material assembling. It enabled reproducible hydrogel prints to develop and characterize the platform.
The printheads operate immersed, enabling printing in cultured environments. These heads include an injection channel and an aspiration channel, along with surface reliefs ensuring complete collection of the injected solution to minimize contamination. Utilizing finite element-based numerical simulations, phase diagrams have been established to evaluate the work conditions. These simulations guided the optimization of surface reliefs to enhance the performance of the printheads. Additionally, the ability to transition from one fluid to another in multi-material printing was analyzed.
The introduction of an optical fiber between the microfluidic channels allowed the photopolymerization of the injected solution. The platform gained versatility with dual printing speeds enabled by the insertion of two optical fibers in the 3D printed printheads. Photopolymerization thresholds of PEGDA and GelMA were investigated, and the impact of in-flow photopolymerization was verified. These analyses culminated in the printing of 2D, 2.5D, 3D, and multi-material structures with reproducible precision down to 7 micrometers.
Serving as proof of concept for biological applications, the platform was employed in four distinct approaches. First, PEGDA objects prevented cell adhesion, enabling the study of geometrically constrained cellular assemblies. Second, scaffold structures for 3D tissues were printed. Third, the printing of suspension of cells in GelMA was achieved, along with the characterization of cellular viability using this method.
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 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 combiné impression 3D et assemblage de matériaux optiquement compatibles, pour permettre des impressions reproductibles d’hydrogel et caractériser la plateforme.
Cette étude a aussi analysé 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 régime de fonctionnement. Ces simulations ont orienté l’optimisation de reliefs de surface pour améliorer les performances des têtes d’impression. De plus, la capacité à changer de fluide au cours d’une impression multi-matériaux a été analysée.
L’introduction d’une fibre optique dans la tête d’impression a permis la photo-polymérisation 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 photo-polymérisation du PEGDA et du GelMA ont été étudiés, et l’impact des flux sur la photo-polymérisation a été vérifié. Ces analyses ont abouti à l’impression de structures 2D, 3D et multi-matériaux de manière reproductible avec une résolution jusqu’à 7 μm.
En tant que preuve de concept pour des applications biologiques, la plateforme a été utilisée pour quatre approches différentes. Premièrement, des objets en PEGDA permettent un guidage et un confinement cellulaire. Deuxièmement, des structures de soutien (scaffold) pour des tissus 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.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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