3D tisk s ultrazvukem

Ultrazvuk vytváří akustické pole, ve kterém jsou částice tvarovány do objektu. Kai Melde, MPI pro lékařský výzkum, Heidelberská univerzita / Použití zvukových vln k vytvoření tlakového pole pro tisk částic. Kai Melde, MPI pro lékařský výzkum, Heidelberská univerzita

Vědci ze skupiny „Micro, Nano and Molecular Systems“ v Max-Planck-Institut für medizinische Forschung a z Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials na Univerzitě Heidelberg vyvinuli novou technologii pro 3D tisk hmoty. Při tom využívají zvukové vlny, resp. akustické vlny, k vytváření tiskových polí. Uvnitř těchto akustických polí lze například sestavit pevné částice nebo biologické buňky do vybraných tvarů. Zjištění otevírají cestu k novým technikám 3D kultivace buněk s vysokým významem pro biomedicínské techniky. Výsledky studie byly zveřejněny 8. února v časopise Science Advances.

3D tisk umožňuje výrobu složitých dílů z různých, dokonce biologických materiálů. Tradiční 3D tisk může být pomalý proces, při němž jsou objekty stavěny vrstvu po vrstvě. Výzkumníci v Heidelbergu a Tübingenu nyní ukazují, jak lze z menších stavebních bloků vytvořit 3D objekt jediným krokem.

„S cíleným a tvarovaným ultrazvukem jsme mohli nejmenší částice spojit do trojrozměrného objektu v jediném kroku,“ říká Kai Melde, postdoktorand ve skupině a hlavní autor studie. „To může být velmi užitečné pro takzvané biotisknutí. Buňky používané zde jsou obzvlášť citlivé na vlivy prostředí a ultrazvuk je šetrná metoda,“ doplňuje Peer Fischer, profesor na Univerzitě Heidelberg.

Akustické vlny působí síly na hmotu – což je fakt, který zná každý návštěvník koncertu, který zažije tlakové vlny reproduktoru. S vysokofrekvenčním ultrazvukem, který není slyšitelný lidským uchem, lze vlnové délky zkrátit na méně než milimetr do mikroskopického rozsahu, s nímž vědci manipulují s velmi malými stavebními bloky, například biologickými buňkami.

V předchozích studiích ukázali Peer Fischer a kolegové, jak lze ultrazvuk generovat pomocí akustických hologramů – 3D vytisknutých desek, které mají zakódovat určité akustické pole. Demonstrovali, že tato akustická pole lze použít k sestavení materiálů do dvourozměrných vzorů.

S jejich novou studií dokázal tým posunout myšlenku ještě o krok dále. V akustických polích zachycují volně plovoucí částice a buňky v vodě a spojují je do trojrozměrných tvarů. Navíc nová metoda funguje s různými materiály, včetně skleněných nebo hydrogelových perel a biologických buněk. Hlavní autor Kai Melde říká, že „klíčovou myšlenkou bylo použít několik akustických hologramů dohromady a tím vytvořit akustické pole, které dokáže zachytit částice.“ Heiner Kremer, který napsal algoritmus pro optimalizaci holografických polí, doplňuje: „Digitalizace celého 3D objektu do ultrazvukových hologramových polí je velmi náročná na výpočet a vyžadovala nové výpočetní rutiny.“

Vědci věří, že jejich technologie představuje velký pokrok v tvorbě buněčných kultur a tkání v 3D. Výhodou ultrazvuku je, že je šetrný k buňkám a může proniknout hluboko do tkáně. Tím může být nová metoda využita k manipulaci s buňkami na dálku bez jejich poškození.