La bioimpression assistée par laser (LAB) permet de positionner des gouttesde cellules avec une précision micrométrique. Il est ainsi possible de donner uneorganisation initiale aux cellules au sein d’une structure tissulaire 3D. Notre objectif estd’utiliser le LAB pour reproduire l’histo-architecture du stroma cornéen. Le stroma cornéenest un assemblage transparent de lamelles d’une épaisseur totale de 500 μm. Au sein dechaque lamelle, les fibres de collagène ont une même direction, un même diamètre et sontrégulièrement espacées grâce à la présence de protéoglycanes spécifiques du stromacornéen. Pour reproduire cette organisation, nous avons fait l’hypothèse qu’en alignant desfibroblastes du stroma sur un hydrogel de collagène à l’aide du LAB, il serait possibled’aligner les fibres de collagène dans la même direction. Du fait que les cellules impriméessont vivantes et dynamiques, le motif cellulaire initialement imprimé est soumis à desprocessus d’auto-organisation. Il a donc fallu déterminer les paramètres, à la foisd’impression et de culture, permettant d’obtenir de façon reproductible des alignements decellules stables dans le temps. Grâce à la microscopie à génération de secondeharmonique, le remaniement des fibres de collagène par les fibroblastes cornéens a pu êtreobservé. La direction des fibres de collagène correspond à celle de l’alignement cellulaire.En imprimant les fibroblastes de cornée sur des couches successives de collagène, noussommes parvenus à reproduire les variations de direction des fibres de collagène d’unelamelle à l’autre qui sont observées dans le stroma cornéen natif. / Laser-Assisted Bioprinting allows positioning of cell droplets with amicrometric precision. It is thus possible to give an initial organization to the cells within a3D tissue structure. Our objective is to use LAB to reproduce the corneal stroma histoarchitecture.The corneal stroma is a transparent assembly of lamellae with a totalthickness of 500 μm. Within each lamella, collagen fibers have the same direction, thesame diameter, and a regular spacing thanks to the presence of proteoglycans which arespecific from the corneal stroma. To reproduce this organization, we make the hypothesisthat through corneal fibroblasts alignment, using LAB, on a collagen hydrogel, it would bepossible to align collagen fibers in the same direction. Because printed cells are alive anddynamic, the cell pattern initially printed is subjected to self-organization processes. It isthus necessary to determine the printing and culture parameters that promote reproducibleand stable cell alignments. By using second harmonic generation microscopy, collagenfiber reorganization by corneal fibroblasts has been observed. Collagen fiber direction ismatching with cell alignment. Corneal fibroblasts have been printed on successive collagenlayers; it allows reproducing the variations in collagen fiber direction from one lamella toanother that are observed in the native corneal stroma.

Le développement des Interventions Médicales Assistées par ordinateur (CAMI) est le résultat d'évolutions convergeantes dans les domaines de la médecine, physique, biomatériaux, électronique, informatique et robotique. CAMI visent à fournir les outils qui permettent au clinicien d'utiliser des données multi-modales de manière rationnelle et quantitative pour planifier, simuler et exécuter des interventions médicales mini-invasives avec précision et sans risque. Parallèlement, les avancées technologiques dans les domaines de l’automatisation, la miniaturisation, la conception assistée par ordinateur et l'usinage ont aussi mené au développement des technologies telles que la bioimpression assistée par ordinateur permettant une impression couche par couche de biomatériaux avec une géométrie contrôlée dans l’espace. Ces résultats ouvrent la voie pour l’utilisation des technologies de bioimpression pour des Interventions Médicales Assistées par ordinateur plus précises et sans risque. Dans ce travail, nous montrons que des constructions tissulaires 3D peuvent être imprimées in vivo et in situ et adaptées à la morphologie d’un défaut. Les résultats ont montré que l'impression de cellules in situ avec une résolution à l’échelle cellulaire a tendance à orienter la réparation tissulaire. / The development of Computer-Assisted Medical Interventions (CAMI) results from converging evolutions in medicine, physics, materials, electronics, informatics and robotics. CAMI aim at providing tools that allow the clinician to use multi-modal data in a rational and quantitative way in order to plan, simulate and execute mini-invasive medical interventions accurately and safely. In parallel, technological advances in the fields of automation, miniaturization and computer aided design and machining have also led to the development of bioprinting technologies which could be defined as the computer-aided, layer-by-layer deposition, transfer and patterning of biologically relevant materials. These results pave the way of using bioprinting technologies for Computer-Assisted Medical Interventions. More precisely, we show that 3D tissue constructs can be printed in vivo and in situ in relation with defect morphology. Interestingly, we demonstrate that printing cells in situ with a cell-level resolution tends to orientate tissue repair.

Afin de résoudre la problématique des substituts osseux faiblement vascularisés, un des challenges majeurs en ingénierie tissulaire osseuse est de favoriser le développement précoce d’une microvascularisation. La reproduction du microenvironnement local et l’organisation cellulaire in situ sont des approches innovantes pour optimiser la formation osseuse. En Biofabrication, la Bioimpression Assistée par Laser (LAB) est une technologie émergente permettant l’impression de cellules et de biomatériaux avec une résolution micrométrique. L’objectif de ce travail était d’étudier l’effet de l’organisation de la pré-vascularisation par LAB sur la régénération osseuse. La station de bioimpression Novalase a été utilisée pour imprimer des motifs de cellules endothéliales sur un « biopaper » constitué de collagène et de cellules souches issues de la papille apicale. Les paramètres d’impression, densités cellulaires et conditions de recouvrement ont été optimisés afin de favoriser la formation d’un réseau microvasculaire avec une architecture définie in vitro. Ce modèle a ensuite été transposé in vivo, grâce à la bioimpression in situ de cellules endothéliales au niveau de défauts osseux critiques chez la souris, afin d’évaluer si la prévascularisation organisée par LAB permettait de promouvoir et contrôler spatialement le processus de régénération osseuse. Les résultats ont montré que la bioimpression permettait d’augmenter la densité de vaisseaux dans les défauts osseux et de favoriser la régénération osseuse. / In order to solve the issue of poorly vascularized bone substitutes, development of a microvasculature into tissue-engineered bone substitutes represents a current challenge. The reproduction of local microenvironment and in situ organization of cells are innovating approaches to optimize bone formation. In Biofabrication, Laser-Assisted Bioprinting (LAB) has emerged as a relevant method to print living cells and biomaterials with micrometric resolution. The aim of this work was to study the effect of prevascularization organized by LAB on bone regeneration. The laser workstation Novalase was used to print patterns of endothelial cells onto a « biopaper » of collagen hydrogel seeded with stem cells from the apical papilla. Printing parameters, cell densities and overlay conditions were optimized to enhance the formation of microvascular networks with a defined architecture in vitro. This model was then transposed in vivo, through in situ bioprinting of endothelial cells into mouse calvarial bone defects of critical size, to investigate if prevascularization organized by LAB can promote and spatially control bone regeneration. The results showed that bioprinting allowed to increase blood vessel density in bone defects and promote bone regeneration.