Un algorithme pour contrôler la fabrication à l’échelle nanométrique par lithographie à 2 photons

Dans le domaine de l’ingénierie tissulaire, un progrès significatif a été accompli pour augmenter l’exactitude et l’efficacité de la création d’échafaudages tissulaires conçus en trois dimensions grâce à un procédé innovant de surveillance de la nanolithographie à deux photons.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives prometteuses dans le domaine de la médecine régénérative.

Les échafaudages tissulaires jouent un rôle clé dans le monde de la médecine régénérative. Ils reproduisent les matrices extracellulaires naturelles de l’organisme, fournissant ainsi un environnement 3D optimal pour la formation tissulaire.

« Les échafaudages tissulaires sont des structures tridimensionnelles qui peuvent soutenir la croissance et le développement de cellules ou de tissus pour des applications biomédicales telles que l’ingénierie tissulaire, la médecine régénérative et les tests de médicaments. Les comportements cellulaires varient en fonction des différentes géométries des échafaudages à l’échelle microscopique » a expliqué Jieliyue Sun. « Il est de notre intérêt d’étudier ces indices géométriques de manière précisément contrôlée. »

Nanolithographie à 2 photons : technique adaptée à l’ingénierie tissulaire

La nanolithographie à deux photons utilise un phénomène non linéaire connu sous le nom d’absorption à deux photons pour produire des structures 3D avec des tailles de caractéristiques inférieures à la limite de diffraction. Cette approche de fabrication est particulièrement adaptée pour l’écriture directe d’échafaudages biomédicaux en 3D car elle peut être utilisée pour créer des microstructures 3D complexes, de haute résolution et bien définies sur la base de modèles de conception assistée par ordinateur (CAD).

Néanmoins, évaluer la précision des structures fabriquées avec la nanolithographie à deux photons a généralement nécessité des méthodes de microscopie coûteuses et difficiles à mettre en œuvre.

Une nouvelle méthode de surveillance in-situ

Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont démontré une nouvelle approche de surveillance in-situ qui utilise la soustraction de fond adaptative pour la supervision en temps réel, couche par couche, de la fabrication par nanolithographie à deux photons. Cette méthode n’exige aucune modification du système optique et peut être facilement mise en œuvre dans la plupart des systèmes de nanolithographie à deux photons.

Cette nouvelle approche utilise un algorithme de surveillance et de contrôle de processus qui améliore la capacité de sectionnement optique de la microscopie en champ clair dans la direction axiale. Elle fonctionne en acquérant des images de fond avant que la fabrication ne commence sur chaque couche, puis en soustrayant le premier plan du fond adaptatif. Cela permet d’éliminer les contributions optiques des couches précédemment imprimées, révélant ainsi des informations sur une seule couche.

Expérimentation et résultats

Les chercheurs ont démontré cette approche de surveillance en fabriquant un groupe de fibres synthétiques à orientations aléatoires, une structure similaire à celle d’un échafaudage tissulaire arbitraire.

Le modèle 3D était constitué de 44 sections avec une taille d’étape axiale de 1 um.

Après le traitement de l’image et le calcul de la corrélation croisée, l’algorithme a été utilisé pour déterminer un paramètre de qualité (q) qui indique la fidélité du processus de fabrication. Si la valeur q est inférieure à un certain seuil, un message d’erreur est généré.

« Avec des paramètres de processus optimisés, nous avons reproduit le modèle d’échafaudage d’entrée avec une haute fidélité géométrique tout en révélant les caractéristiques internes de l’architecture. L’expérience a montré que la nouvelle méthode de surveillance et de contrôle de processus améliorait la qualité et l’efficacité de la nanofabrication à l’aide de la nanolithographie à deux photons. Ce travail ouvre la voie à la synthèse de haute fidélité des échafaudages tissulaires structurés », a ajouté Jieliyue Sun.

En synthèse

Ce travail de recherche présente une avancée significative dans l’optimisation de la nanofabrication à l’aide de la nanolithographie à deux photons. Il offre une nouvelle méthode de surveillance in-situ, simple à mettre en place, qui améliore à la fois la précision et l’efficacité du processus de fabrication des scaffolds tissulaires en 3D. Ce progrès pourrait avoir un impact significatif sur le domaine de la médecine régénérative, notamment en améliorant la qualité de fabrication des scaffolds tissulaires, essentiels pour la croissance et le développement de nouveaux tissus dans le corps.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la nanolithographie à deux photons ?

La nanolithographie à deux photons est une technique d’impression tridimensionnelle à l’échelle nanométrique qui utilise le phénomène d’absorption à deux photons.

Qu’est-ce qu’un scaffold tissulaire ?

Un scaffold tissulaire est une structure tridimensionnelle qui favorise la croissance et le développement de nouvelles cellules et tissus dans le corps. Ces structures sont utilisées en médecine régénérative.

Quel est l’objectif de cette nouvelle méthode de surveillance in-situ ?

Cette nouvelle méthode a pour but d’améliorer la précision et l’efficacité du processus de fabrication des scaffolds tissulaires en 3D à l’aide de la nanolithographie à deux photons.

Fabrication à deux photons d’échafaudages de fibres orientées de manière aléatoire. Modèle 3D original (à gauche), entrée découpée (au milieu) et résultat de la fabrication dans la couche correspondante (à droite). Crédit : Jieliyue Sun