Academic literature on the topic 'Bio-Impression 3D'

Objectif : Créer et valider un modèle de CAE normal par impression en 3D bio-fidèles aux CAE humains. Méthodologie : Nous avons prélevé dix CAE humains sur des pièces anatomiques. Après acquisition volumique sur un scanner conventionnel, la conception numérique des CAE en 3D comportait une segmentation et la mise en place d’un support tympanique. Nous avons utilisé du PLA pour l’impression et du ruban adhésif pour simuler une MT artificielle. La vélocimétrie de l’umbo a été mesurée au moyen d’un laser couplé à une chaine acoustique de stimulation-recueil dédiée. Résultats : Comparés aux CAE humains, les modèles ont montré des réponses identiques statistiquement. Un second pic était observé à 5 kHz sur le pattern des CAE imprimés. Les hautes fréquences montraient un profil plus chaotique. Conclusion : Les CAE imprimés en 3D sont des modèles valides et bio-fidèles aux CAE humains. La normalisation des amplifications observées permet d’obtenir un modèle utile pour l’optimisation des dispositifs d’amplification ou de protection auditifs.

Prosthetic dentistry involves functional and esthetic restoration. Some situations require the use of fiber-reinforced composite resin posts that help preserve restorations. This paper demonstrates the usefulness of endodontic guides for the removal of fiber posts. A 36-year-old man consulted for retreatment of a maxillary first molar presenting a periapical pathology. This tooth revealed a composite reconstruction together with a glass-fiber post in the palatal root canal. To assist removal, use of an endodontic 3D-printed guide was indicated. A cone beam computed tomography examination and an optical impression were made to produce a tooth-supported guide by means of implant planning software (Blue Sky Plan, Blue Sky Bio®). The software enabled definition of a drilling pathway, which was transferred clinically using a resin template together with a sleeve and a 0.75-mm drill. The drill was guided as far as the gutta-percha situated in the apical third, limiting any risk of impairment or perforation.

Le muscle squelettique est organisé en faisceau de fibres musculaires de différentes tailles et parcouru par des réseaux vasculaires et nerveux. Les cellules satellites sont des cellules souches logées le long des fibres musculaires et sont à la base des progéniteurs myogéniques (myoblastes). Les cellules satellites peuvent être aisément extraites du muscle et cultivées. Les modèles typiques de culture en deux dimensions (2D) de cellules dérivées du muscle squelettique ne peuvent pas recréer complètement l'organisation et la fonction des tissus musculaires vivants, ce qui limite leurs utilités dans les études physiologiques approfondies. Le développement de modèles de culture 3D fonctionnels offre une opportunité unique pour mimer les tissus vivants et modéliser les maladies musculaires. A cet égard, ce nouveau type de modèles in vitro augmente significativement notre compréhension de l'implication des différentes populations cellulaires dans la formation du muscle squelettique et de leurs interactions, ainsi que les modalités de réponse d'un muscle pathologique à de nouvelles thérapies. Ce deuxième point pourrait conduire à l'identification de traitements efficaces. Dans cette synthèse, nous traitons des progrès significatifs qui ont été réalisés ces dernières années pour concevoir des structures ressemblant à des tissus musculaires, fournissant des outils utiles pour étudier le comportement des cellules souches résidentes. Nous nous intéressons plus particulièrement au développement de systèmes basés sur des « myosphères » et des faisceaux de fibres ou « myobundles » ainsi que sur les systèmes de bio-impression. Les protocoles de stimulation électrique/mécanique et les systèmes de co-culture développés pour améliorer le processus et les fonctionnalités de maturation des tissus seront également présentés. La formation de tissus musculaires biomimétiques représente une nouvelle technologie pour étudier la fonction et l'organisation spatiale des muscles squelettiques dans un grand nombre de contextes physiologiques, pathologiques et agronomiques.

Tissue inhibitor of matrix metalloproteinases (TIMPs) are a small family of endogenous proteins that classically function to inhibit metalloproteinase activity. Since the original description of this protein family in the 80s and 90s, various MMP‐independent biological functions of TIMPs have been described. This built the impression that MMP/TIMP ratios may play an important role in tissue homeostasis, an idea which is supported by the observation that altered MMP/TIMP expression ratios are often associated with a number of human conditions such as cancer, cardiovascular and CNS disease. TIMP2 is the most abundantly expressed protein in this family and has previously been shown to interact with several membrane proteins including MT1‐MMP, insulin‐like growth factor‐1 receptor (IGF‐I‐R) and alpha3 beta1 integrin (α3β1) to mediate downstream intracellular signaling. In addition, TIMP2 has been shown to inhibit growth factor stimulated proliferation, angiogenesis and tumor cell invasion and metastasis, highlighting the potential for TIMP2‐based cancer bio‐therapies that can be used in conjunction with conventional treatments. Recent studies in our lab highlight that syngeneic lung tumors (LL2 cells; Lewis lung carcinoma) developed in C57BL mice harboring a loss‐of‐function mutation in TIMP2 are significantly larger than tumors grown in their WT counterparts. To gain a deeper understanding of the role of TIMP2 in tumor initiation and progression we have used CRISPR‐Cas9 to develop stable TIMP2 knockout (T2KO) human lung cancer cell lines. Although indistinguishable in 2D culture, T2KO tumor cells display a morphologically distinct phenotype when grown in spheroids. Preliminary data show that, when grown in spheroids, T2KO cells exhibit enhanced EGFR activation in comparison to WT cells. By assessing the functional characteristics and gene expression of T2KO cells grown in 3D culture conditions we hope to gain further insight into the biological functions of TIMP2 and to provide a mechanistic link between the loss of TIMP2 activity and enhanced tumor formation that is observed in our mouse model.

La bio-impression 3D est une technologie d'ingénierie tissulaire basée sur la combinaison de biomatériaux, de cellules et de biomolécules pour la fabrication de substituts tissulaires capables de restaurer, remplacer et/ou réparer les tissus endommagés. Les biomatériaux agissent comme une matrice extracellulaire temporaire et favorisent la migration, la prolifération et la différenciation des cellules. Cette capacité peut être due aux propriétés intrinsèques des biomatériaux, ou à l'inclusion de signaux biochimiques, tels que des facteurs de croissance. L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux biomatériaux permettant l'impression 3D, mais également de trouver de nouvelles stratégies permettant leur application en ingénierie tissulaire, à l’aide de la technologie de la bio-impression 3D. Pour ce faire, nous avons d'abord extrait la chitine d'une source peu commune, les mues de cigales et nous l'avons transformé en son dérivé le chitosane. Ces deux polysaccharides ont ensuite été caractérisés d'un point de vue physico-chimique. Pour la première fois à notre connaissance, nous avons également caractérisé la matière première (c'est à dire les mues de cigale) et les produits intermédiaires du procédé d'extraction, qui se sont avérés importants pour évaluer la stabilité des mues de cigales en tant que source de chitine. Le chitosane, un dérivé de la chitine, a ensuite été utilisé pour développer de nouvelles encres pour l’impression 3D grâce à sa combinaison avec deux gommes naturelles : la gomme de guar et la gomme de tamarin. Ces deux gommes sont des polysaccharides dérivés de plantes à graines et largement utilisés comme agents épaississants et gélifiants par les industries alimentaires. Leur combinaison avec le chitosane a amélioré son imprimabilité et, grâce à un mécanisme de double gélification, a conduit à la fabrication de constructions en 3D aux propriétés mécaniques améliorées. Par la suite, après avoir examiné les stratégies de bio-impression 3D utilisées pour contrôler la libération de facteurs de croissance à partir de constructions bio-imprimées, des microsphères de PLGA libérant des facteurs neurotrophiques ont été incluses dans une construction de muscle squelettique bio-imprimée afin d'améliorer et d'accélérer l'innervation de la structure 3D
3D bioprinting is a tissue engineering technology based on the combination of biomaterials, cells and bioactive molecules for the fabrication of tissue substitutes able to restore, replace and/or repair the damaged ones. Biomaterials act as a temporary extracellular matrix and promote the migration, proliferation and differentiation of cells. This ability is either due to biomaterial's intrinsic properties or to their modification through the inclusion of biochemical cues, such as growth factors. The objective of this thesis is to develop new biomaterials allowing 3D printing and new strategies allowing for their application in tissue engineering, using, in particular, the technology of 3D bioprinting. In order to do that, we firstly extracted chitin from an unusual source, cicadas sloughs, and transformed it into its derivative chitosan. These two polysaccharides were characterized from a physicochemical point of view. Furthermore, for the first time to our knowledge, we also characterized the raw material (i.e., cicada sloughs) and the intermediary products of the extraction process, which proved important to evaluate the stability of cicada sloughs as a source of chitin. Chitosan, a derivative of chitin, was then used to develop new biomaterial inks for extrusion 3D printing through its combination with two natural gums: guar gum and tamarind gum. These are polysaccharides derived from seed plants and widely used as thickening and gelling agents by the food industries. Their addition to chitosan improved its printability and, through a dual gelation mechanism, led to the fabrication of stable 3D constructs with improved mechanical properties. Subsequently, after reviewing the 3D bioprinting strategies used to control the release of growth factors from 3D printed and bioprinted constructs, PLGA microspheres were included into a 3D bioprinted skeletal muscle construct as neurotrophic factors delivery system in order to improve and accelerate the innervation of the developed scaffold

Dans cette thèse, des architectures carbonées poreuses, obtenues par pyrolyse de structures imprimées par stéréolithographie (SLA) de résines photosensibles biosourcées dérivées de tanins et de liant organique acrylate, ont été préparées pour en étudier les propriétés. Les propriétés texturales et mécaniques des carbones poreux ont pu être adaptées par la modification des formulations des résines photosensibles précurseurs en termes de quantité de tanins et de formulation de la résine acrylate liante, ou encore par le type de précurseurs biosourcés utilisé. Ces différentes approches ont permis d'obtenir une large gamme de structures carbonées aux propriétés facilement ajustables pour des applications environnementales ou électromagnétiques. Ainsi, après activation physique, les carbones structurés par SLA appliqués à la catalyse hétérogène en phase liquide pour l'épuration de l'eau, et en phase gaz pour la valorisation du CO2, ont montré des performances prometteuses. De même, grâce à leur conductivité électrique modérée, les carbones et composites carbone-matériau diélectrique ou carbone-matériau ferromagnétique obtenus par SLA se positionnent comme une possible alternative aux méthodes conventionnelles d'élaboration de métasurfaces et métamatériaux absorbeurs à large bande pour le blindage électromagnétique à hautes fréquences (entre 8 et 40 GHz). Enfin, la modélisation multiphysique des deux procédés clés pour l'obtention des architectures carbonées, impression puis pyrolyse, a également permis de mieux comprendre les interactions des phénomènes physiques mis en jeu lors de ces étapes. Plus qu'un outil de prédiction, l'approche numérique est devenue un outil d'optimisation du procédé et des matériaux
In this thesis, porous carbon architectures obtained by pyrolysis of stereolithography (SLA)-printed biosourced photosensitive resins derived from tannin and organic acrylate binder were prepared to study their properties. The textural and mechanical properties of the porous carbons were adapted by modifying the precursor resin formulations in terms of tannin quantity, acrylate resin binder composition or the type of biosourced precursor used. These different approaches have led to the production of a wide range of carbon structures whose properties can easily be adjusted for environmental or electromagnetic applications. Thus, after physical activation, 3D-printed carbon monoliths applied to heterogeneous catalysis in the liquid phase for water treatment, and in the gas phase for CO2 valorization, have shown promising performances. In addition, thanks to their moderate electrical conductivity, carbons and carbon-dielectric material or carbon-ferromagnetic material composites obtained by SLA are potential alternative to conventional methods to produce broadband absorbers metasurfaces and metamaterials for electromagnetic shielding at high frequencies (between 8 and 40 GHz). Finally, the multiphysics modeling of the two main processes to obtain carbon architecture, printing and then pyrolysis, has also led to a better understanding of the interactions of the physical phenomena involved during these stages. More than a prediction tool, the numerical approach becomes a process and material optimization tool

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
In this thesis report, 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. This approach addresses the current limitations inherent in existing technologies. Micro-extrusion, stereolithography, and microfluidic probes possess individual capabilities to handle heterogeneous objects printing, achieve high resolutions, and manipulate fluids with precision. However, these capabilities have never been fully united in a proper technic. The 3D-FlowPrint platform draws inspiration from each of these concepts. It 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 developed four successive generations of printheads. The first generation, machined and molded, demonstrated the feasibility of the concept but presented room for improvement. The second generation, entirely 3D printed, introduced new geometric possibilities and rapid prototyping but faced challenges with optical interfaces. The third generation combined 3D printing with optically compatible material assembling. It enabled reproducible PEGDA prints to develop and characterize the platform, yet it encountered limitations for GelMA printing. The fourth generation overcame this challenge by introducing an air bubble under the printhead, resolving third-generation issues.This manuscript also analyzes the microfluidic system. 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 material collection capacity. 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 on specific part of the substrate, enabling the study of geometrically constrained development. Second, scaffold structures for surfacic 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. Lastly, a hybrid platform was developed for co-printing hydrogels and positioning 3D spheroids

La chitine et le chitosane présentent un potentiel considérable pour de nombreuses applications dans divers domaines, notamment la biotechnologie, l'ingénierie, l'agriculture, l'industrie alimentaire, les sciences de l'environnement, etc., en raison de leurs propriétés distinctives et de leur capacité d'adaptation. La chitine est un polysaccharide linéaire composé d'unités de N-acétylglucosamine (GlcNAc) liées en β-(1-4). Le chitosane est obtenu par désacétylation partielle de la chitine via l'élimination des groupes acétyles des unités GlcNAc. Le degré de désacétylation détermine l'étendue de la conversion de la chitine en chitosane et influe sur ses propriétés physicochimiques. La chitine et le chitosane sont principalement issus des déchets de fruits de mer, car les exosquelettes des crustacées (crevettes, homards, crabes, etc.) sont riches en chitine. Toutefois, cette ressource n'est pas en mesure de répondre aux besoins croissants et aux projections de futurs besoins en matière de chitosane. La taille du marché mondial de la chitine devrait être évaluée à environ 1 801,3 millions de dollars américains en 2023 et devrait atteindre 5 746,2 millions de dollars américains d'ici 2033. La demande mondiale de chitosane continue d'augmenter à un taux annuel de 15,4 %. Il existe un besoin pressant de sources alternatives et durables de chitine et de chitosane afin de surmonter les limitations associées aux sources conventionnelles et d'étudier de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées. Les insectes peuvent donc être considérés comme une source abondante et durable de chitine et de chitosane. Les insectes ont des taux de reproduction rapides, des cycles de vie courts et nécessitent des ressources minimales pour leur élevage, ce qui garantit un approvisionnement constant en chitine et donc en chitosane. Cette thèse commence par une revue complète de l'état actuel de la chitine et du chitosane dérivés d'insectes, en se concentrant sur leurs sources, leurs méthodes de production, leur caractérisation, leurs propriétés physiques et chimiques, ainsi que leurs diverses applications. Ensuite, nous avons étudié 11 espèces d'insectes différentes comme matériau de départ pour l'extraction de la chitine et la préparation du chitosane. Il s'agit de neuf espèces appartenant à la famille des Curculionidae, d'Heteronitis castelnaui appartenant à la famille des Scarabaeidae et d'Eurycantha calcarata appartenant à la famille des Lonchodidae. La chitine et le chitosane obtenus ont été soigneusement caractérisés à l'aide de diverses techniques analytiques telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM), la résonance magnétique nucléaire (NMR), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Ensuite, le chitosane Heteronitis castelnaui et le chitosane Eurycantha calcarata obtenus ont fait l'objet d'études plus approfondies en vue d'applications. Le chitosane Heteronitis castelnaui a démontré d'excellentes performances dans la formation d'hydrogels et a présenté une capacité d'adsorption remarquable pour le bleu de méthylène et l'orange de méthyle. L'hydrogel à base de chitosane d'Eurycantha calcarata a présenté des caractéristiques d'imprimabilité 3D favorables, une biocompatibilité élevée et une nature non toxique. Ces données préliminaires confirment que les espèces étudiées peuvent être considérées comme des sources potentielles de chitine et de chitosane pour des utilisations industrielles
Chitin and chitosan have considerable potential for a number of applications in a variety of fields, including biotechnology, engineering, agriculture, the food industry, environmental sciences and so on, due to their distinctive properties and adaptability. Chitin is a linear polysaccharide composed of β-(1-4)-linked N-acetylglucosamine (GlcNAc) units. Chitosan is obtained by the partial deacetylation of chitin via removal of the acetyl groups from the GlcNAc units. The degree of deacetylation determines the extent of conversion from chitin to chitosan and impacts its physicochemical properties. Chitin and chitosan are derived mainly from seafood wastes (shrimps, lobsters, crabs, etc.). However, this resource is unable to support the growing needs and future projections for chitin and chitosan. The global chitin market size is set to be valued at around US dollars 1,801.3 million in 2023 and is anticipated to reach US dollars 5,746.2 million by 2033. Global demand for chitosan continues to rise at an annual rate of 15.4%. There is a pressing need for alternative and sustainable sources of chitin and chitosan to overcome limitations associated with conventional sources, and to investigate novel materials with enhanced properties. Hence, insects may be considered as an abundant and sustainable source of chitin and chitosan. Insects have rapid reproduction rates, short lifecycles, and require minimal resources for breeding, ensuring a consistent available supply of chitin and chitosan.This thesis provides a comprehensive review on the current state of insect-derived chitin and chitosan, focusing on their sources, production methods, characterization, physical and chemical properties, and various applications. Then, we investigated 11 different insect species as a starting material for chitin extraction and chitosan preparation. These include nine species belonging to Curculionidae family, Heteronitis castelnaui belonging to Scarabaeidae family, and Eurycantha calcarata belonging to Lonchodidae family. All the obtained chitin and chitosan was thoroughly characterized using various analytical techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR), thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). Then the obtained Heteronitis castelnaui chitosan and Eurycantha calcarata chitosan were further investigated for the applications. Heteronitis castelnaui chitosan demonstrated excellent performance in the formation of hydrogels and exhibited remarkable adsorption capacity for methylene blue and methyl orange. Eurycantha calcarata chitosan-based hydrogel exhibited favorable 3D printability characteristics, high biocompatibility and non-toxic nature. These preliminary data confirm that these studied species may be considered as potential source of chitin and chitosan for industrial uses

Ce projet vise à développer de nouveaux matériaux bio-sourcés cellulosiques qui pourront être mis en forme via le procédé d’impression 3D par extrusion pour produire des objets 3D complexes et multi-matériaux. Ce travail a consisté tout d’abord à formuler des pâtes aqueuses à fort taux de matière sèche présentant des propriétés adéquates aux exigences de l’impression 3D par extrusion. Des mélanges associant des particules micrométriques organiques (cellulose sous forme de fibres courtes ou poudre, poudre de graphite, etc.) et des dérivés de celluloses (carboxymethylcellulose) ont été étudiés et ont permis l’obtention d’une pâte homogène, compatible avec le procédé d’impression 3D par extrusion qui présente des déformations limitées lors de la phase de séchage de l’objet imprimé. Une seconde phase du projet s’est ensuite concentrée sur l’adaptation et l’optimisation du système d’impression 3D par extrusion ainsi que des paramètres associés afin de garantir une fidélité optimum des objets produits en regard des modèles numériques. Les limitations de ce nouveau matériau au niveau du design des pièces produites ainsi que des paramètres d’utilisation ont été déterminées. Pour caractériser les objets produits, plusieurs approches de caractérisations innovantes comme le suivi du séchage d’une pièce imprimée par tomographie ont été mises en œuvre. Ces résultats ont permis d’aboutir à l’impression 3D de formes complexes en matériau 100% cellulosique avec des propriétés mécaniques comparables aux thermoplastiques habituellement utilisés en impression 3D de fils fondus
This project aims at developing new cellulosic bio-based materials for additive manufacturing (AM) by extrusion to produce complex and multi-materials 3D parts. First, this project has evaluated the compatibility of aqueous and high solid content formulations with AM by extrusion. Formulations composed of micrometric organics fillers (cellulose fibers or powder and graphite powder) and cellulose derivatives (carboxymethyl cellulose) were investigated and results in a selection of homogeneous pastes with strong potential for AM by extrusion and limited deformation of the printed part upon air drying. The second stage of this project focused on adjustment and optimization of AM by extrusion equipment and the related settings to guarantee an optimum shape accuracy of 3D printed parts compared to the 3D numerical model. A printing setting guideline and design limitations adapted to the developed paste were suggested. To characterize the printing parts, different innovative methods such as the temporal monitoring by X-ray tomography of a printed part upon drying were implemented. The results of this project lead to the AM by extrusion of complex part 100% cellulose based with mechanical properties close to thermoplastic materials commonly used with fused filament fabrication process

Les surfaces superhydrophobes ont une faible mouillabilité à l'eau du fait de leur nature chimique et/ou de leur état de surface architecturé à plusieurs échelles (micro et nano). Les procédés de fabrication additive (FA) utilisant de l'acier inoxydable sont coûteux en raison du prix de la poudre d'acier inoxydable. De plus, la précision de ces technologies descend rarement en dessous de 200 μm. Les travaux présentés couplent deux technologies, à savoir l'impression 3D polymère et la coulée sous vide (fonderie à cire perdue) pour créer, à partir de déchets d'acier inoxydable, diverses surfaces bio-inspirées microtexturées en acier inoxydable 316L. Le moulage des détails micrométriques en fonderie d'acier inoxydable est un défi technique en raison de la tension superficielle élevée, de la viscosité dynamique élevée et de la température de travail élevée (1600°C). Diverses surfaces microtexturées bioinspirées (écailles de poisson, gouttes, nid d'abeille, etc.) ont été fabriquées avec succès. Un revêtement à l'échelle nanométrique a ensuite été appliqué par polymérisation plasma à pression atmosphérique afin de nanotexturer la surface, conduisant la surface à un comportement ultrahydrophobe. Enfin, diverses applications possibles pour ces surfaces, comme l'anti-fouling, l'anti-icing ou l'imprégnation d'huile végétale pour la mise au point de surface glissantes (SLIPS) sont explorées et discutées
Superhydrophobic surfaces have low water wetting due to their chemical nature and/or surface state structured at multiple scales (micro and nano). Additive manufacturing (AM) processes using stainless steel are expensive due to the cost of stainless steel powder. Additionally, the precision of these technologies rarely goes below 200 μm. The presented work combines two technologies, namely polymer 3D printing and vacuum casting (lost-wax casting), to create various bio-inspired microtextured surfaces in 316L stainless steel from stainless steel waste. Casting micrometric details in stainless steel foundry is a technical challenge due to high surface tension, high dynamic viscosity, and high working temperature (1600°C). Various bioinspired microtextured surfaces (fish scales, drops, honeycomb, etc.) have been successfully manufactured. A nanoscale coating was then applied through atmospheric pressure plasma polymerization to nanotexture the surface, leading to an ultrahydrophobic behavior. Finally, various potential applications for these surfaces, such as anti-fouling, anti-icing, or impregnation with vegetable oil for the development of slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS), are explored and discussed

L'impression 3D connaît un essor remarquable dans l'industrie de la construction, ouvrant la voie à la digitalisation attendue du secteur. Alors que de nouvelles techniques sont étudiées pour associer optimisation technique et limitation des émissions de CO2, cette étude se concentre sur l'impression 3D par lit de poudre. Encore relativement niche, cette technique pourrait permettre d'imprimer avec une forte teneur en fibres naturelles, franchissant ainsi une étape supplémentaire vers la neutralité carbone. Le processus est simple, impliquant trois étapes répétées : déposer une couche de poudre réactive - compacter - injecter de l'eau sur la surface.Par conséquent, contrôler la pénétration de l'eau dans la poudre est la clé pour améliorer la qualité d'impression. Pour confiner l'eau dans la zone désirée et permettre une hydratation optimale du liant, nous avons modifié les propriétés physiques de la poudre (compacité, perméabilité) ou celles du fluide injecté (tension superficielle, viscosité, limite d'écoulement) pour étudier leur impact sur la cinétique de propagation de l'eau en surface et dans la poudre. Nous avons donc étudié la cinétique de propagation verticale d'eau dans des échantillons de poudres cimentaires compactées. Pour mieux s'approcher des phénomènes advenant dans l'imprimante, l'imbibition verticale dans les deux sens de pénétration est suivie par analyse d'image et par IRM, bénéficiant ainsi d'informations complémentaires sur la quantité et la répartition de l'eau dans les échantillons.Après avoir développé un dispositif ambivalent, nous avons étudié des poudres pures (ciment, calcite, métakaolin, sable) et d'autres contenant des agrégats poreux (pâte de ciment recyclée ou chanvre micronisé) pour mieux comprendre leur impact sur la pénétration de l'eau dans une poudre imprimable biosourcée. En effet, cette technique apporte de nouvelles pistes de compréhension sur la saturation et, combinée à la RMN, les transferts d'eau entre la matrice et les agrégats poreux. Les agrégats poreux naturels comme le chanvre sont en effet bien connus pour interférer sur la répartition de l'eau car ils absorbent et gonflent au contact de l'eau. Les résultats indiquent que la cinétique ne ralentit pas toujours avec le temps et nous amènent à discuter de la validité de la loi de Washburn, pourtant communément utilisé pour décrire les phénomènes de propagation d'eau dans des milieux poreux.Enfin, le développement complet d'une imprimante 3D sur lit de poudre a permis d'imprimer des cubes qui permettront d'étudier l'influence du choix des paramètres d'impression (type d'injection et compacité) sur la forme des pièces. Nous pourrons ensuite envisager de considérer les matériaux biosourcés comme un outil possible pour améliorer la précision d'impression
3D printing is experiencing a significant rise in the construction industry, paving the way for the expected digitalization of the sector. As new techniques are explored to combine technical optimization and CO2 emission reduction, this study focuses on powder-bed 3D printing. Despite still being relatively niche, this method could facilitate printing with a high natural fiber content, thus taking a further step towards carbon neutrality. The process is simple, involving three iterative steps : depositing a layer of reactive powder, compacting it, and then injecting water onto the surface.Hence, controlling water penetration into the powder is crucial to improve print quality. The objective is to confine the available water to the desired area, ensuring optimal binder hydration and preventing leaching from previous layers. Several factors may limit penetration depth, including the physical properties of the powder (compactness, permeability) and those of the injected fluid (surface tension, viscosity, yield stress) to study their impact on the kinetics of water propagation on the surface and within the powder. Consequently, we examined the vertical water propagation kinetics in compacted cementitious powder samples. To better simulate the phenomena occurring within the printer, vertical imbibition in both penetration directions was monitored through image analysis and MRI, providing additional insights into the quantity and distribution of water in the samples.Following the development of a versatile setup, we investigated pure powders (such as cement, calcite, metakaolin, sand) and those containing porous aggregates (recycled cement paste or micronized hemp shives) to better understand their impact on water penetration in a bio-sourced printable powder. Indeed, this technique sheds new light with a saturation sensibility and, when combined with MRI, water transfers between the matrix and porous aggregates. Natural porous aggregates like hemp are well-known to affect water distribution as they absorb and swell on contact with water. The results indicate that kinetics do not always slow down over time which opens discussions on the validity of Washburn's Law, commonly used to describe water propagation phenomena in porous media.Finally, the complete development of a powder-bed 3D printer has enabled the printing of cubes, which will facilitate the study of the influence of printing parameter choices (injection type and compactness) on part geometry. We will then be able to consider biobased materials as a possible tool for improving printing precision

Le cancer de l’ovaire constitue un véritable enjeu de santé public. Les nouveaux traitements se heurtent par ailleurs à des taux d’échec très élevés. Ceci s’explique notamment pour le manque de fiabilité des modèles précliniques classiques tels que la culture cellulaire en 2D. De nouveaux outils basés sur la culture cellulaire en 3D ont alors fait leur apparition tels que les sphéroïdes et les organoïdes. Or ces modèles ont leurs propres limites (coûts, difficultés d’application). La bio-impression 3D est une nouvelle approche permettant de créer des modèles tumoraux de manière contrôlée et reproductible. Néanmoins, elle a encore très peu été appliquée au cancer ovarien. En plus de la troisième dimension, il est important de prendre en compte les conditions dynamiques associées à l’environnement tumoral. Ceci est possible depuis quelques années grâce à la technologie des cancers sur puce basée sur la microfluidique. Cependant, cette technologie ne permet pas, à l’heure actuelle, de simuler le trajet vasculaire du médicament en amont de son interaction avec le tissu tumoral. Dans ce projet de thèse, nous avons souhaité créer un modèle tridimensionnel et dynamique du cancer ovarien en combinant les approches de bio-impression 3D et de microfluidique. Dans un premier temps, la bio-impression 3D a été utilisée pour créer la structure tumorale à proprement parlé. Pour y parvenir, nous avons formulé un hydrogel de gélatine et d’alginate de sodium dans lequel nous avons intégré des cellules cancéreuses ovariennes (SKOV-3) et des fibroblastes cancéreux (MeWo). Le tissu tumoral bio-imprimé a ensuite été caractérisé par différentes techniques pour démontrer sa viabilité et sa pertinence biologique. Sa réponse au cisplatine a également été évaluée. Dans un second temps, nous avons intégré le modèle tumoral bio-imprimé au sein d’un support microfluidique. Le rôle de ce support était de permettre la mise en culture du tissu bio-imprimé sous flux physiologique. Il devait également permettre de simuler le trajet vasculaire du médicament avant son interaction avec le tissu tumoral. Par la suite, nous avons fait appel à la simulation en mécanique des fluides pour concevoir une version améliorée du premier système. L’objectif étant de pouvoir tester, en même temps, plusieurs concentrations différentes de médicament sur un même dispositif microfluidique. Ce projet de thèse a démontré la capacité de la bio-impression 3D à créer des tissus tumoraux ovariens viables et fonctionnels. Il a par ailleurs ouvert des perspectives de recherche très intéressantes par rapport aux possibilités de combiner la bio-impression 3D et de la microfluidique en vue d’améliorer la modélisation préclinique des cancers ovariens
Ovarian cancer is a major public health issue. Moreover, new treatments still face very high failure rates. This is mainly due to the unreliability of conventional preclinical models such as 2D cell culture. Thus, new tools based on 3D cell culture have emerged such as spheroids and organoids. However, these models have their own limitations (cost, difficulty of application). 3D bioprinting is a new approach to create tunable and reproducible tumor models. However, very few bioprinted tumor models have been reported so far. Besides the “third dimension”, it is important to consider the dynamic conditions of the tumor environment. This has been possible for some years now thanks to microfluidics-based cancer-on-a-chip technology. However, this technology currently does not simulate the drug vascular transport before its interaction with the tumor cells. In this PhD project, we set out to create a dynamic, three-dimensional model of ovarian cancer by combining 3D bioprinting and microfluidics. First, 3D bioprinting was used to create the tumor structure itself. For that, we formulated a bio-ink comprising SKOV-3 ovarian cancer cells and MeWo cancer fibroblasts embedded in a gelatin – alginate hydrogel. The bioprinted tumor structures were then characterized by various techniques to demonstrate their viability and biological relevance. Their response to anticancer drug cisplatin was also assessed. In the second step, we integrated the bioprinted tumor model into a microfluidic support for culture under physiological flow. This support was also intended to simulate the drug's vascular transport prior to interaction with the tumor tissue. We then used computational fluid dynamics to design an improved version of the first system. The aim of this improved version was to simultaneously assess multiple drug concentrations. This PhD project demonstrated the ability of 3D bioprinting to create viable and functional ovarian tumor models. It has also brought interesting research prospects with regard to the possibilities of combining 3D bioprinting and microfluidics to improve preclinical modeling of ovarian tumors

Les imprimantes 3D existent depuis plusieurs décennies et le principe général de la fabrication additive est de déposer des couches successives de matériau afin dobtenir un volume, à partir d’un modèle défini à l’avance grâce à une interface informatique. Depuis quelques années, ces imprimantes sont utilisées dans le domaine médical : ainsi, les chirurgiens peuvent obtenir une réplique en résine d’une situation clinique afin de planifier leur geste chirurgical pour réaliser des interventions moins invasives. Par ailleurs, on peut aujourdhui imprimer certains biomatériaux synthétiques sur mesure afin dobtenir des greffons personnalisés basés sur limagerie tridimensionnelle d’un patient. Ces applications utilisent sur des imprimantes fonctionnant principalement sur le principe de la stéréolithographie (photopolymérisation sélective de résines photosensibles) ou bien du dépôt à chaud de fil fondu : ces technologies ne permettent pas dutiliser des composés biologiques tels que des cellules ou des biomolécules. Plus récemment, des imprimantes 3D dédiées à l’impression déléments biologiques (Bio-Impression) ont été développées. On distingue la Bioimpression assistée par laser, la bioimpression par jet dencre et lextrusion dhydrogels. Ces trois méthodes présentent des points communs (utilisation d’une encre biologique, modélisation du motif à imprimer et pilotage de limprimante par une interface informatique, impression couche par couche). Cependant, en fonction de la technologie utilisée, la résolution et le volume des motifs imprimés peuvent varier de façon importante. Les machines permettant d’imprimer à haute résolution ne sont habituellement pas adaptées lorsquon cherche à obtenir des volumes importants ; de la même façon, lorsqu’une technologie permet d’imprimer des volumes importants, il est souvent difficile dobtenir de hautes résolutions dimpressions. De ce fait, on doit parfois combiner plusieurs technologies pour produire certains assemblages complexes. Ainsi, il est primordial de définir finement ses objectifs avant de choisir une technologie de bioimpression. Les applications des imprimantes 3D de tissus biologiques (Bio-imprimantes) sont toutes dans le champ de lingénierie tissulaire et aujourdhui presque exclusivement dans le domaine de la recherche. Les méthodes permettant d’imprimer à haute résolution trouvent des applications principalement en biologie cellulaire lorsquon cherche par exemple àé valuer les capacités de communication de plusieurs types cellulaires : en effet, il est possible de créer des motifs réguliers en imprimant des gouttes de bioencre contenant chacune quelques cellules avec la technologie laser. Par ailleurs, d’autres technologies basées sur lextrusion permettent de manipuler des amas cellulaires (sphéroïdes) et de les organiser entre eux, ce qui peut trouver des applications dans le domaine de la cancérologie. En combinant les technologies, on peut aujourdhui mettre en place des modèles d’étude pharmacologiques qui pourraient à terme se substituer à certaines expérimentations animales et ouvrir la voie à certaines thérapies ciblées. Enfin, la fabrication dorganes par bioimpression (« Organ Printing ») reste aujourdhui du domaine de la science fiction, même si quelques équipes travaillent sur cet aspect. Les imprimantes 3D biologiques apportent donc de nouveaux outils pour le chercheur dans de nombreuses applications en biologie et en médecine régénératrice. Le choix de la méthode la plus adaptée à L’objectif de L’étude est primordial afin dutiliser au mieux ces technologies.