Microtomographie stroboscopique à rayons X synchrotron pour l'analyse de matériaux hétérogènes en oscillation haute-fréquence

Imaging the internal architecture of fast vibrating structures is a challenge for many applications, including the study of biological oscillators, mechanical testing of materials, and process engineering. In particular, the quantification of the 3D deformation endured by vocal folds during phonation, i.e. soft fiber-reinforced structures that vibrate at frequencies ranging from 50 to 1500 Hz, is needed to lift current scientific issues in voice biomechanics. To address this longer-term challenge, we developed a new method based on pioneer studies proposed to image the 3D periodic motion of biological oscillators using gated X-ray microtomography, and so far mostly limited to low-frequency motions below 10 Hz. Our approach aims to optimise image acquisition and reconstruction procedures, by minimising streaking and motion blur artefacts while improving the spatiotemporal resolution of the imaging technique, and thereby, to study the vibration of multiscale structures at higher frequencies.For that purpose, we coupled a numerical approach relying on tomography simulations of vibrating particles of known and ideal 3D geometry (spheres or fibres), with experimental campaigns carried out in laboratory and synchrotron X-ray microtomographs using a custom-developed versatile vibromechanical device. Combined with kinematical field measurements, these developments allowed us to characterise the vibration-induced motion and deformation of microstructured soft composites subjected to various sinusoidal mechanical loads oscillating up to 400 Hz, as observed in phonation. By overcoming several technical and scientific barriers limiting the feasibility and reproducibility of such investigations, this work paves the way for future research to better understand the remarkable vibromechanical performance of vocal folds.Imager l’architecture interne de structures vibrantes rapides reste un défi dans de nombreux domaines, notamment pour l'étude des oscillateurs biologiques, la mécanique des matériaux et l'ingénierie des procédés. En particulier, la quantification des déformations 3D subies par les plis vocaux pendant la phonation, i.e. des structures souples renforcées par des fibres et vibrant à des fréquences allant de 50 à 1500 Hz, est attendue pour lever certains verrous scientifiques en biomécanique de la voix. Pour relever ce défi à plus long terme, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur des études pionnières proposées pour imager le mouvement périodique 3D d'oscillateurs biologiques à l'aide de la microtomographie à rayons X stroboscopique, mais jusqu'à présent majoritairement limitée à des mouvements basse-fréquence en deçà de 10 Hz. Notre approche vise à optimiser les procédures d'acquisition et de reconstruction d'images, en minimisant les "streaks" et autres artefacts dus au flou de mouvement tout en améliorant la résolution spatio-temporelle de la technique d'imagerie, et à étudier la vibration de structures multi-échelles à des fréquences plus élevées.Pour ce faire, nous avons couplé une approche numérique basée sur des simulations de tomographie à l'échelle de particules vibrantes de géométrie 3D connue et idéale (sphères ou fibres), avec des campagnes expérimentales menées sur des microtomographes de laboratoire et synchrotron, à l'aide d'un dispositif vibromécanique polyvalent développé sur mesure. Combinés à des mesures de champs cinématiques, ces développements ont permis de caractériser le mouvement et la déformation induits par la vibration de composites mous microstructurés soumis à des charges mécaniques sinusoïdales variées et oscillant jusqu'à 400 Hz, telles qu'observées en phonation. Surmontant ainsi plusieurs obstacles techniques et scientifiques limitant la faisabilité et la reproductibilité de telles investigations, ce travail ouvre la voie à de futures recherches pour mieux comprendre les propriétés vibratoires remarquables des plis vocaux

Stroboscopic synchrotron X-ray microtomography for the analysis of high-frequency oscillating heterogeneous materials

Imager l’architecture interne de structures vibrantes rapides reste un défi dans de nombreux domaines, notamment pour l'étude des oscillateurs biologiques, la mécanique des matériaux et l'ingénierie des procédés. En particulier, la quantification des déformations 3D subies par les plis vocaux pendant la phonation, i.e. des structures souples renforcées par des fibres et vibrant à des fréquences allant de 50 à 1500 Hz, est attendue pour lever certains verrous scientifiques en biomécanique de la voix. Pour relever ce défi à plus long terme, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur des études pionnières proposées pour imager le mouvement périodique 3D d'oscillateurs biologiques à l'aide de la microtomographie à rayons X stroboscopique, mais jusqu'à présent majoritairement limitée à des mouvements basse-fréquence en deçà de 10 Hz. Notre approche vise à optimiser les procédures d'acquisition et de reconstruction d'images, en minimisant les "streaks" et autres artefacts dus au flou de mouvement tout en améliorant la résolution spatio-temporelle de la technique d'imagerie, et à étudier la vibration de structures multi-échelles à des fréquences plus élevées.Pour ce faire, nous avons couplé une approche numérique basée sur des simulations de tomographie à l'échelle de particules vibrantes de géométrie 3D connue et idéale (sphères ou fibres), avec des campagnes expérimentales menées sur des microtomographes de laboratoire et synchrotron, à l'aide d'un dispositif vibromécanique polyvalent développé sur mesure. Combinés à des mesures de champs cinématiques, ces développements ont permis de caractériser le mouvement et la déformation induits par la vibration de composites mous microstructurés soumis à des charges mécaniques sinusoïdales variées et oscillant jusqu'à 400 Hz, telles qu'observées en phonation. Surmontant ainsi plusieurs obstacles techniques et scientifiques limitant la faisabilité et la reproductibilité de telles investigations, ce travail ouvre la voie à de futures recherches pour mieux comprendre les propriétés vibratoires remarquables des plis vocaux.Imaging the internal architecture of fast vibrating structures is a challenge for many applications, including the study of biological oscillators, mechanical testing of materials, and process engineering. In particular, the quantification of the 3D deformation endured by vocal folds during phonation, i.e. soft fiber-reinforced structures that vibrate at frequencies ranging from 50 to 1500 Hz, is needed to lift current scientific issues in voice biomechanics. To address this longer-term challenge, we developed a new method based on pioneer studies proposed to image the 3D periodic motion of biological oscillators using gated X-ray microtomography, and so far mostly limited to low-frequency motions below 10 Hz. Our approach aims to optimise image acquisition and reconstruction procedures, by minimising streaking and motion blur artefacts while improving the spatiotemporal resolution of the imaging technique, and thereby, to study the vibration of multiscale structures at higher frequencies.For that purpose, we coupled a numerical approach relying on tomography simulations of vibrating particles of known and ideal 3D geometry (spheres or fibres), with experimental campaigns carried out in laboratory and synchrotron X-ray microtomographs using a custom-developed versatile vibromechanical device. Combined with kinematical field measurements, these developments allowed us to characterise the vibration-induced motion and deformation of microstructured soft composites subjected to various sinusoidal mechanical loads oscillating up to 400 Hz, as observed in phonation. By overcoming several technical and scientific barriers limiting the feasibility and reproducibility of such investigations, this work paves the way for future research to better understand the remarkable vibromechanical performance of vocal folds

Ultra-short Laser Surface Functionalization: from Modeling to Bioengineering

International audienceFemtosecond laser texturing allows one to produce various surface relief ranging from nano- and micro ones to much more complex multi-scale pattern. In this context, the main advantages of using ultra-short laser pulses are known to be in a reduction of thermal effects, of debris, and of the surface contamination. Additionally, combinations of laser-induced micro- and nano- reliefs have strong capacities to alternate cell-surface interactions and even to guide cell behavior. Despite previously demonstrated link of cell behavior with wetting properties, the definition of the best laser treatment condition remains challenging. In particular, the difficulty arises from the change in surface wettability with time after laser treatment, but also due to annealing, sterilization, ultra-sound or cold plasma treatment. The reasons for these changes are not yet well understood. For this, femtosecond laser irradiation of titanium-based surfaces is used. As a result, multi-scale textures are produced with high precision. A series of simulations were also performed to determine the properties of these surfaces. Their wetting properties were tested and the capacities to guide stem cells were evaluated. Several templates with different sizes and motifs have been tested. In addition, human stem cell cultures (HSC) have been cultivated on several structured surfaces. The results reveal that HSCs preferentially place their nuclei in the pits with a diameter about the cell size, while the cell were looking for the hydrophilic areas for the attachment of their periphery. As a result, wetting maps can serve to predict cellular behavior. To better understand the involved mechanisms, wetting tests were performed for several surface reliefs and the results were compared to the results of our modeling. The obtained results are particular helpful in bioengineering, for cellular tests, for the treatment of various prosthesis, as well as of dental implants

4D X-ray microtomography of vibrating multiscale structures: numerical optimisation and experimental validation

International audienc

Tomographie RX synchrotron stroboscopique pour la caractérisation 4D d'oscillateurs biomimétiques

National audienceEn cas de cancers laryngés avancés, la restauration des capacités phonatoires des patients par des implants artificiels capables de mimer les vibrations des plis vocaux (ou "cordes vocales") reste un défi scientifique, clinique et sociétal. Ce défi nécessite de développer des matériaux aux propriétés vibro-mécaniques proches de celles du tissu natif, pouvant vibrer dans une large gamme de frequences fondamentales (50 à 1500 Hz). Au cours de la dernière décennie, des études pionnières ont été proposées pour imager les mouvements 3D d'oscillateurs biologiques a basse fréquence (sous 5 Hz) à l'aide de la tomographie à rayons X synchrotron. Ces travaux visaient la mesure des fonctions pulmonaires et cardiaques. Récemment, des images 3D de muscles d'une mouche pendant le battement de ses ailes à 145Hz ont été obtenues. Cependant, des verrous sont encore à lever dans les procédures d'acquisition et de reconstruction d'images 4D par rayons X afin d'en améliorer la résolution spatio-temporelle, et de pouvoir étudier la vibration de structures multi-échelles à des fréquences plus élevées. Ainsi, cette étude vise à proposer de nouveaux développements méthodologiques pour caractériser les évolutions multi-échelles induites par la vibration 4D de matériaux mous microstructurés, soumis à des charges mécaniques oscillant jusqu'à 400Hz, tel qu'observé en phonation

4D X-ray microtomography of vibrating multiscale structures

International audienc

Traitement laser ultra-rapide de motifs nanostructurés pour le contrôle de l'adhésion et de la migration des cellules sur un alliage de titane

International audienceFemtosecond laser texturing is a promising surface functionalization technology to improve the integration and durability of dental and orthopedic implants. Four different surface topographies were obtained on titanium-6aluminum-4vanadium plates by varying laser processing parameters and strategies: surfaces presenting nanostructures such as laser-induced periodic surface structures (LIPSS) and 'spikes', associated or not with more complex multiscale geometries combining micro-pits, nanostructures and stretches of polished areas. After sterilization by heat treatment, LIPSS and spikes were characterized to be highly hydrophobic, whereas the original polished surfaces remained hydrophilic. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) grown on simple nanostructured surfaces were found to spread less with an increased motility (velocity, acceleration, tortuosity), while on the complex surfaces, hMSCs decreased their migration when approaching the micro-pits and preferentially positioned their nucleus inside them. Moreover, focal adhesions of hMSCs were notably located on polished zones rather than on neighboring nanostructured areas where the protein adsorption was lower. All these observations indicated that hMSCs were spatially controlled and mechanically strained by the laser-induced topographies. The nanoscale structures influence surface wettability and protein adsorption and thus influence focal adhesions formation and finally induce shape-based mechanical constraints on cells, known to promote osteogenic differentiation.La texturation au laser femtoseconde est une technologie de fonctionnalisation de surface prometteuse pour améliorer l'intégration et la durabilité des implants dentaires et orthopédiques. Quatre topographies de surface différentes ont été obtenues sur des plaques de titane-6aluminium-4vanadium en faisant varier les paramètres et stratégies de traitement laser: des surfaces présentant des nanostructures telles que des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) et des `` pointes '', associées ou non à des géométries multi-échelles plus complexes combinant des micro - des fosses, des nanostructures et des étendues de zones polies. Après stérilisation par traitement thermique, les LIPSS et les pointes ont été caractérisés comme étant hautement hydrophobes, tandis que les surfaces polies d'origine restaient hydrophiles. Les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSC) cultivées sur de simples surfaces nanostructurées se sont moins propagées avec une motilité accrue (vitesse, accélération, tortuosité), tandis que sur les surfaces complexes, les hMSC ont diminué leur migration à l'approche des micro-fosses et ont positionné préférentiellement leur noyau. à l'intérieur d'eux. De plus, les adhérences focales des hMSC étaient notamment localisées sur des zones polies plutôt que sur des zones nanostructurées voisines où l'adsorption des protéines était plus faible. Toutes ces observations ont indiqué que les hMSC étaient contrôlés spatialement et mécaniquement sollicités par les topographies induites par laser. Les structures nanométriques influencent la mouillabilité de surface et l'adsorption des protéines et influencent ainsi la formation d'adhérences focales et induisent finalement des contraintes mécaniques basées sur la forme des cellules, connues pour favoriser la différenciation ostéogénique

Femtosecond laser micro- and nano texturing of dental implants: wettability and stem cell behavior

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Comment les lasers ultra-courts aident à créer des reliefs hiérarchiques guidant efficacement les cellules sur des motifs nanostructurés

International audienceUltra-short laser texturing allows us to produce various surface reliefs on both nano- and micro-scales as complex hierarchical patterns. This kind of surface treatment has also advantaged in the reduction of thermal effects, of debris, and, particularly, in the minimization of surface contamination. Particularly, surface micro-patterns with additional nano-reliefs, or so-called “hierarchical reliefs” can be quite easily produced considerably alternating not only surface roughness and wettability but allowing additional opportunities to better guide the behavior of different objects ranging from nanoparticles and viruses to larger droplets and/or living microorganisms. Previously, a clear connection between cell behavior and wetting properties on laser-structured patterns has been revealed. However, the optimum laser treatment is still under discussion. In fact, laser interactions affect not only surface relief and morphology but also composition, phase state, etc. One of the known challenges is also the fact that surface properties can be unstable and evolve with time. They can be also strongly affected by additional heating, sterilization, ultra-sound or cold plasma treatment. The reasons for these changes are not yet well understood. For this, femtosecond laser irradiation of titanium-based surfaces is used. As a result, multi-scale textures are produced with high precision. Additionally, computer simulations were also performed to examine surface chemistry and particle and small droplet behavior on such surfaces. Then, wetting properties are analyzed. Finally, the capacities to capture and guide human stem cell cultures (HSC) were evaluated. Several patterns with different sizes and motifs have been examined. In general, the results confirm that wettability maps can help predict cellular behavior. The obtained results have numerous applications in bioengineering, cellular tests, the treatment of dental implants, and various prosthesis.La texturation laser ultra-courte nous permet de produire divers reliefs de surface à la fois à l'échelle nano et micro sous forme de motifs hiérarchiques complexes. Ce type de traitement de surface présente également des avantages dans la réduction des effets thermiques, des débris et, en particulier, dans la minimisation de la contamination de surface. En particulier, des micro-motifs de surface avec des nano-reliefs supplémentaires, ou soi-disant «reliefs hiérarchiques», peuvent être assez facilement produits en alternant considérablement non seulement la rugosité de surface et la mouillabilité, mais permettant des opportunités supplémentaires pour mieux guider le comportement de différents objets allant des nanoparticules aux virus. à des gouttelettes plus grosses et/ou à des micro-organismes vivants. Auparavant, un lien clair entre le comportement des cellules et les propriétés de mouillage sur les motifs structurés au laser a été révélé. Cependant, le traitement au laser optimal est encore en discussion. En fait, les interactions laser affectent non seulement le relief et la morphologie de la surface, mais aussi sa composition, son état de phase, etc. L'un des défis connus est également le fait que les propriétés de surface peuvent être instables et évoluer avec le temps. Ils peuvent également être fortement affectés par un chauffage supplémentaire, une stérilisation, un traitement aux ultrasons ou au plasma froid. Les raisons de ces changements ne sont pas encore bien comprises. Pour cela, une irradiation laser femtoseconde de surfaces à base de titane est utilisée. En conséquence, des textures multi-échelles sont produites avec une grande précision. De plus, des simulations informatiques ont également été effectuées pour examiner la chimie de surface et le comportement des particules et des petites gouttelettes sur ces surfaces. Ensuite, les propriétés de mouillage sont analysées. Enfin, les capacités de capture et de guidage des cultures de cellules souches humaines (CSH) ont été évaluées. Plusieurs modèles avec des tailles et des motifs différents ont été examinés. En général, les résultats confirment que les cartes de mouillabilité peuvent aider à prédire le comportement cellulaire. Les résultats obtenus ont de nombreuses applications dans la bio-ingénierie, les tests cellulaires, le traitement des implants dentaires et diverses prothèses