Micro- et nanofabrication
Interaction laser–tissu
Les lasers femtoseconde offrent une grande précision et peu de dégâts thermiques, utiles en ophtalmologie et ailleurs.
Présentation
Qu’est-ce que l’interaction laser–tissu
L’interaction laser–tissu décrit les processus qui se produisent lorsque le rayonnement laser est absorbé par un tissu biologique. En choisissant des paramètres laser et des conditions de délivrance du faisceau appropriés, l’irradiation laser peut être adaptée afin d’obtenir une modification contrôlée du tissu. Parmi les technologies laser disponibles, les lasers femtoseconde sont de plus en plus utilisés pour le traitement des tissus, car ils permettent un dépôt d’énergie fortement localisé avec un endommagement thermique limité par rapport aux systèmes laser à impulsions plus longues. Ces caractéristiques ont permis d’appliquer les lasers femtoseconde à un large éventail de disciplines médicales, notamment l’ophtalmologie, l’odontologie, la dermatologie et la chirurgie des tissus mous mini-invasive.
Longueur d’onde et réponse tissulaire
Le mécanisme d’interaction entre le tissu biologique et l’irradiation laser dépend à la fois des paramètres laser – notamment la longueur d’onde, la durée d’impulsion, l’énergie d’impulsion et le taux de répétition – et des propriétés du tissu irradié. Ces facteurs déterminent comment l’énergie laser est absorbée et distribuée dans le tissu, influençant la profondeur de l’interaction et la réponse tissulaire résultante. Le rayonnement UV est fortement absorbé par les biomolécules des couches tissulaires superficielles et diffusé par les particules intracellulaires, ce qui se traduit par des profondeurs de pénétration faibles, de l’ordre de dixièmes de micromètres seulement. Cela rend les lasers UV bien adaptés à une ablation de surface précise, mais limite leur emploi dans les procédures nécessitant l’accès à des cibles tissulaires plus profondes. En revanche, les impulsions femtoseconde dans le proche IR peuvent se propager à travers des tissus optiquement transparents avant d’être focalisées à une profondeur choisie, ce qui permet une modification tissulaire sous-jacente sans endommager les couches sus-jacentes.
Comment les impulsions femtoseconde interagissent avec le tissu
L’ablation par laser femtoseconde repose sur le dépôt d’énergie laser dans le tissu à une échelle de temps plus courte que celle d’une diffusion thermique significative. La haute intensité de crête des impulsions ultracourtes déclenche une absorption non linéaire et la formation d’un plasma dans le volume irradié. Une fois généré, le plasma absorbe l’énergie laser restante et la couple efficacement au tissu, produisant un processus d’ablation non thermique qui permet une résection tissulaire avec une taille, une forme et une profondeur de cratère précises, tout en minimisant l’endommagement thermique du tissu environnant. Outre la fluence laser et le taux de répétition, la stratégie de balayage joue un rôle important. Des études expérimentales ont montré que des algorithmes de balayage convenablement conçus répartissent l’énergie laser tout en permettant un refroidissement efficace entre les passages laser successifs. En optimisant le positionnement du faisceau et le séquençage du balayage, l’accumulation de chaleur locale peut être minimisée même à des taux de répétition élevés.
Avantages des impulsions ultracourtes
Le principal avantage des impulsions ultracourtes est la capacité de retirer le tissu avec une grande précision spatiale tout en minimisant l’endommagement thermique du tissu adjacent. Par rapport aux lasers à onde continue ou à impulsions plus longues, les impulsions ultracourtes assurent une résection tissulaire précise, un endommagement thermique minimal et un contrôle fin de la profondeur, ce qui les rend bien adaptées aux procédures où la préservation du tissu environnant est critique. Les lasers femtoseconde à l’état solide conservent une bonne qualité de faisceau et une haute stabilité, tandis que leur capacité à générer des impulsions femtoseconde IR et UV à partir d’une même plateforme laser permet de réaliser plusieurs procédures ophtalmologiques avec une seule source laser.
Ophtalmologie
L’ophtalmologie constitue l’une des applications les plus établies de l’interaction laser–tissu. La chirurgie réfractive moderne combine généralement deux sources laser différentes : un laser dans le proche IR pour la création du volet cornéen et un laser UV pour l’ablation stromale cornéenne. Les impulsions dans le proche IR sont focalisées dans la cornée transparente, où une photodisruption localisée produit une séparation tissulaire précisément positionnée sans endommager les couches environnantes. Le rayonnement UV est fortement absorbé par le tissu cornéen et est donc utilisé pour une ablation de surface contrôlée lors des procédures photoréfractives. Des études récentes ont montré que des impulsions UV générées par des lasers femtoseconde à l’état solide peuvent réaliser une ablation stromale cornéenne comparable, voire dans certains cas supérieure, à celle des lasers à excimère argon fluoride conventionnels. Une kératectomie photoréfractive transépithéliale à haute vitesse réalisée avec des impulsions femtoseconde à 206 nm a atteint des vitesses d’ablation d’environ 1.6 s par dioptrie tout en maintenant une ablation prévisible et reproductible, ainsi que des réponses de cicatrisation comparables à un traitement par laser à excimère. Pendant la procédure, l’augmentation de la température de surface cornéenne est restée inférieure à 7 °C malgré la vitesse d’ablation élevée. Les lasers femtoseconde à l’état solide génèrent le rayonnement UV par génération d’harmoniques, de sorte que les impulsions dans le proche IR et dans l’UV issues de la même source laser permettent à la fois les procédures intrastromales et l’ablation de surface cornéenne.
Odontologie
L’odontologie est l’un des domaines d’application émergents de l’interaction laser–tissu par laser femtoseconde, en particulier pour la préparation automatisée de cavités et les procédures restauratrices. L’odontologie laser robotisée a été proposée comme alternative aux fraises dentaires conventionnelles à haute vitesse, permettant une préparation automatisée des cavités dentaires tout en réduisant les forces mécaniques, les vibrations et le bruit associés aux instruments rotatifs. Des études portant sur l’ablation par laser femtoseconde de la dentine et de l’émail ont démontré un traitement tissulaire sans fissure, sans modifications significatives de la composition chimique, ni carbonisation, fusion ou déformation du tissu. Le traitement laser évite également la formation de la couche de boue dentinaire typiquement produite par le meulage mécanique à haute vitesse, tout en préservant la morphologie de la structure dentinaire et en laissant les tubules dentinaires ouverts. Par rapport aux lasers dentaires erbium et CO₂, qui reposent sur l’absorption de l’eau et l’expulsion thermomécanique, les impulsions laser femtoseconde retirent le tissu en ionisant le matériau directement en un état de plasma. Ce processus ne génère pas d’ondes de choc et produit une qualité de surface supérieure ; les lasers femtoseconde ne nécessitent pas d’eau à la surface du tissu et peuvent traiter une gamme plus large de matériaux de restauration, y compris les métaux.
Dermatologie
La dermatologie constitue un autre domaine d’application, car de nombreux traitements cutanés exigent une ablation de surface fortement localisée. Le rayonnement UV est fortement absorbé dans les couches tissulaires superficielles. En conséquence, les lasers UV femtoseconde ont été étudiés comme alternative aux systèmes laser nanoseconde pour les procédures dermatologiques exigeant un retrait tissulaire contrôlé avec un dommage collatéral minimal. La plupart des effets biologiques du rayonnement UV en dessous de 320 nm sont initiés lorsque l’ADN absorbe la lumière. Des études expérimentales comparant des impulsions femtoseconde à 206 nm et à 257 nm ont montré que la réponse biologique dépend fortement de la longueur d’onde, l’irradiation à 206 nm produisant des niveaux plus faibles de dommages à l’ADN dans les cellules cutanées que l’irradiation à 257 nm dans les conditions étudiées.
Chirurgie mini-invasive
La haute précision et l’endommagement thermique limité obtenus avec des impulsions laser ultracourtes ont également stimulé le développement de procédures chirurgicales mini-invasives. Ces caractéristiques sont particulièrement importantes en chirurgie gastro-intestinale, où la polypectomie colique et l’exérèse locale exigent une haute précision associée à un endommagement thermique minimal en raison de la structure à paroi mince de l’intestin. Les lasers à onde continue, les lasers à impulsions longues et les techniques fondées sur l’électrocautérisation sont sujets à un endommagement thermique significatif, avec un endommagement thermique du tissu sain adjacent de l’ordre de 300 µm dans les systèmes à impulsions longues. Les développements récents des fibres à cœur creux à courbure négative ont permis de délivrer de manière flexible des impulsions ultracourtes de haute énergie lors de procédures endoscopiques. Des études précliniques sur du tissu colique porcin ont démontré une résection tissulaire précise à des énergies d’impulsion de 46 et 33 μJ, avec une région thermiquement endommagée inférieure à 85 μm ainsi qu’un contrôle fin de la profondeur d’ablation.
CARBIDE et PHAROS
Les lasers femtoseconde CARBIDE et PHAROS prennent en charge un large éventail d’applications d’interaction laser–tissu en combinant des durées d’impulsion ultracourtes, des taux de répétition élevés et une génération d’harmoniques intégrée, fournissant des longueurs d’onde de sortie du proche IR à l’UV. Pour les applications ophtalmologiques, les impulsions femtoseconde fondamentales dans le proche IR peuvent être utilisées pour les procédures intrastromales, tandis que les impulsions UV fournies par génération d’harmoniques peuvent être appliquées à l’ablation de surface cornéenne. La même flexibilité en longueur d’onde prend en charge les procédures dermatologiques et d’autres applications médicales exigeant une ablation tissulaire précise.
