Int. J. Mol. Sci.

To face the increasing demand for organ transplantation, currently the development of tissue engineering appears as the best opportunity to effectively regenerate functional tissues and organs. However, these approaches still face the lack of an efficient method to produce an efficient vascularization system. To answer these issues, the formation of an intra-volume channel within a three-dimensional, scaffold free, mature, and cell-covered collagen microfibre is here investigated through laser-induced cavitation. An intra-volume channel was formed upon irradiation with a near-infrared, femtosecond laser beam, focused with a high numerical aperture lens. The laser beam directly crossed the surface of a dense and living-cell bilayer and was focused behind the bilayer to induce channel formation in the hydrogel core while preserving the cell bilayer. Channel formation was assessed through confocal microscopy. Channel generation inside the hydrogel core was enhanced by the formation of voluminous cavitation bubbles with a lifetime longer than 30 s, which also improved intra-volume channel durability. Twenty-four hours after laser processing, cellular viability dropped due to a lack of sufficient hydration for processing longer than 10 min. However, the processing automation could drastically reduce the cellular mortality, this way enabling the formation of hollowed microfibres with a high density of living-cell outer bilayer

Micro-Usinage par laser femtoseconde : Fabrication d'une microfibre glomérulaire perfusée

The demand for organ transplantation has rapidly increased during the past decades due to the increased incidence of vital organ failure and the greater improvement in post-transplant outcome. However, the unavailability of adequate organs for transplantation to meet the existing demand has resulted in major organ shortage crisis. Today, the emergence of regenerative medicine and more particularly, tissue engineering, appears as the best opportunity to effectively regenerate functional tissues and organs. However, these approaches face the 3D architectural complexity of a real organ’s system. More particularly, one of the most challenging issues when engineering tissues is the lack of an efficient method to produce blood vessel systems — the vascularization. Without nutrients and oxygen supply, cells die, and engineered tissues show cell necrosis.This project is a collaboration between the French laboratory of tissue engineering BioTis – INSERM U1026 and the technological centre in optics and lasers ALPhANOV. The aim of this project is to develop a model of perfusable glomerular microcapillary that would mimic glomerular filtration. Microfibres was crafted in the BioTis lab with a core made of collagen hydrogel and a peripheric cell bilayer. This thesis focuses on the creation of a channel within the collagen core using femtosecond laser processing. Following the principle of industrialized intra-volume laser microprocessing of transparent materials, ultra-short laser pulses were strongly focused inside collagen hydrogel to induce the formation of a channel through cavitation phenomena without affecting the cell bilayer.Le nombre de patients en attente sur la liste de transplantation d'organe est croissant dû notamment à une augmentation de la durée de vie. L'ingénierie tissulaire, dans une optique de remplacement d'organes pourrait être une alternative à ce problème de pénurie d'organes. Cependant, la création d'un organe entier par ingénierie tissulaire est limitée par la complexité de son organisation et la vascularisation des tissus créés. La vascularisation permet en effet d’apporter l'oxygène et les nutriments nécessaires aux cellules et d'éliminer les déchets qu'elles génèrent. Sans vascularisation, les cellules ne peuvent survivre et nécrosent.Ce projet de thèse est un partenariat entre le laboratoire français BioTis - INSERM U1026 et le centre technologique d'optique et laser ALPhANOV autour de la bio-ingénierie tissulaire. L'objectif est de développer un procédé de fabrication et d'usinage pour créer un modèle de microfibres glomérulaires perfusables. Des microfibres cellulaires ont été réalisées au sein du laboratoire BioTis. Elles sont composées d’un cœur d’hydrogel de collagène et d’une paroi externe bicellulaire modélisant la barrière de filtration rénale. L’originalité de ce travail repose ensuite sur la création d’une lumière interne, à l’aide d’un faisceau laser à impulsions ultracourtes. Inspiré des procédés industriels d’usinages intravolumiques de matériaux transparents, les impulsions ultracourtes sont ici fortement focalisées dans le cœur de collagène pour créer un canal intravolumique via un phénomène de cavitation à l’intérieur des fibres sans impacter la couche externe de cellules

Femtosecond laser micromachining : perfused glomerular microfibre manufacture

Le nombre de patients en attente sur la liste de transplantation d'organe est croissant dû notamment à une augmentation de la durée de vie. L'ingénierie tissulaire, dans une optique de remplacement d'organes pourrait être une alternative à ce problème de pénurie d'organes. Cependant, la création d'un organe entier par ingénierie tissulaire est limitée par la complexité de son organisation et la vascularisation des tissus créés. La vascularisation permet en effet d’apporter l'oxygène et les nutriments nécessaires aux cellules et d'éliminer les déchets qu'elles génèrent. Sans vascularisation, les cellules ne peuvent survivre et nécrosent.Ce projet de thèse est un partenariat entre le laboratoire français BioTis - INSERM U1026 et le centre technologique d'optique et laser ALPhANOV autour de la bio-ingénierie tissulaire. L'objectif est de développer un procédé de fabrication et d'usinage pour créer un modèle de microfibres glomérulaires perfusables. Des microfibres cellulaires ont été réalisées au sein du laboratoire BioTis. Elles sont composées d’un cœur d’hydrogel de collagène et d’une paroi externe bicellulaire modélisant la barrière de filtration rénale. L’originalité de ce travail repose ensuite sur la création d’une lumière interne, à l’aide d’un faisceau laser à impulsions ultracourtes. Inspiré des procédés industriels d’usinages intravolumiques de matériaux transparents, les impulsions ultracourtes sont ici fortement focalisées dans le cœur de collagène pour créer un canal intravolumique via un phénomène de cavitation à l’intérieur des fibres sans impacter la couche externe de cellules.The demand for organ transplantation has rapidly increased during the past decades due to the increased incidence of vital organ failure and the greater improvement in post-transplant outcome. However, the unavailability of adequate organs for transplantation to meet the existing demand has resulted in major organ shortage crisis. Today, the emergence of regenerative medicine and more particularly, tissue engineering, appears as the best opportunity to effectively regenerate functional tissues and organs. However, these approaches face the 3D architectural complexity of a real organ’s system. More particularly, one of the most challenging issues when engineering tissues is the lack of an efficient method to produce blood vessel systems — the vascularization. Without nutrients and oxygen supply, cells die, and engineered tissues show cell necrosis.This project is a collaboration between the French laboratory of tissue engineering BioTis – INSERM U1026 and the technological centre in optics and lasers ALPhANOV. The aim of this project is to develop a model of perfusable glomerular microcapillary that would mimic glomerular filtration. Microfibres was crafted in the BioTis lab with a core made of collagen hydrogel and a peripheric cell bilayer. This thesis focuses on the creation of a channel within the collagen core using femtosecond laser processing. Following the principle of industrialized intra-volume laser microprocessing of transparent materials, ultra-short laser pulses were strongly focused inside collagen hydrogel to induce the formation of a channel through cavitation phenomena without affecting the cell bilayer