Compréhension de la polymérisation biphotonique utilisée en écriture laser directe via la combinaison de différentes méthodes d'analyse résolues temporellement et spatialement – 2PhotonInsight

De nos jours, il y a une demande croissante en microsystèmes 3D compacts et sophistiqués répondant à des critères spécifiques et variés dans des domaines tels que la nanomécanique, la nanophotonique, la nanofluidique, la nanomédecine ou la biologie. Alors que différentes stratégies ont été élaborées avec succès pour la production de masse de micro- et nanostructures 2D et 2.5D, la fabrication de micro- et nanostructures 3D n’est pas aisée et requiert des processus multi-étapes très longs à mettre en œuvre. Dans ce contexte, l’utilisation de méthodes de fabrication additive (FA) est particulièrement pertinente, mais ces dernières sont limitées en terme de résolution spatiale. Ainsi la stéréolithographie biphotonique (TPS) apparait comme une méthode de choix permettant de réaliser une seule étape des structures 3D arbitraires présentant des détails sub-100 nm. De plus, de nouveaux records de vitesse d’écriture ont souligné le potentiel de la TPS comme méthode FA à l’échelle sub-micrométrique et ont ainsi confirmé le rôle clef qu’est appelé à jouer cette technologie émergente dans les années à venir. Néanmoins, contrairement aux méthodes de FA conventionnelles, la TPS n’a pas encore atteint un niveau de maturité suffisant permettant d’envisager des applications industrielles commercialisables. De façon plus surprenante, son usage est encore restreint à certaines communautés académiques. Aujourd’hui, afin de passer à l’étape d’industrialisation et de favoriser sa dissémination à toutes les communautés scientifiques, un des défis à lever consiste à développer et caractériser des matériaux fonctionnels compatible avec la TPS. Alors que nous-mêmes et d’autres équipes ont très récemment proposé des matériaux innovants compatibles avec la TPS, l’impact de ce procédé de fabrication sur les propriétés finales du matériau reste à ce jour rarement étudié en raison de la complexité de la réaction photoinduite. En effet, contrairement à la plupart des applications standards de la photopolymérisation, la TPS implique des conditions de réactions spécifiques comme une excitation très localisée (< µm3) et intense, induite par une excitation laser très courte, limitant son étude approfondie par des méthodes plus conventionnelles (FTIR, Raman, PhotoDSC, HPLC…). Enfin, à ces échelles temporelle et spatiale, de nombreux phénomènes doivent être pris en considération tels que la diffusion moléculaire, les aberrations optiques, l’échauffement local, la post-polymérisation, etc… Ainsi, jusqu’à maintenant, les études relatives à la TPS ont été principalement limitées à l’analyse géométriques d'un voxel (brique élémentaire) ou de lignes suspendues en fonction des paramètres de fabrication (la puissance et la vitesse d’écriture). Dans ce contexte, 2PhotonInsight vise à comprendre la réaction de polymérisation biphotonique (TPP) dans le cadre d'une écriture directe par laser. Dans ce but, une 1ère tâche consistera à caractériser les propriétés géométriques, chimiques, et mécaniques finales du matériau. Pour cela, des approches conventionnelles (MEB, microspectroscopie Raman) et originales (vibrométrie laser) seront mises en œuvre. Dans une 2nde tâche, la cinétique de la TPP sera étudiée. Pour cela, des méthodes compatibles avec les échelles temporelles et spatiales auxquelles se produit la TPP seront implémentées. Ainsi, de nouvelles stratégies basées sur l’utilisation de sondes moléculaires fluorescentes et sensible à la viscosité seront envisagées.
Ces deux 1ères étapes permettront une meilleure compréhension de la réaction TPP, ce qui est crucial afin d’exercer un contrôle fin sur le processus de fabrication et de définir les relations entre le procédé de fabrication et les propriétés résultantes du matériau. Enfin, pour illustrer l’intérêt de notre approche, nous concevrons des surfaces modèles parfaitement contrôlées pour la biologie cellulaire et nous évaluerons l’impact de chaque paramètre de fabrication sur le comportement cellulaire.