How ultra-short lasers help to create hierarchical reliefs efficiently guiding cells on nanostructured patterns
Comment les lasers ultra-courts aident à créer des reliefs hiérarchiques guidant efficacement les cellules sur des motifs nanostructurés
Résumé
Ultra-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.