3D nyomtatás ultrahang segítségével

Ultrahang egy hangmezőt képez, amelyben a részecskék egy tárgyat formálnak. Kai Melde, MPI az Orvostudományi Kutatásért, Heidelberg Egyetem / A hanghullámok felhasználása nyomásmező létrehozására részecskék nyomtatásához. Kai Melde, MPI az Orvostudományi Kutatásért, Heidelberg Egyetem

Az „Micro, Nano and Molecular Systems” kutatócsoport tudósai a Max-Planck-Institut für medizinische Forschung és a Heidelbergi Egyetem Molekuláris Rendszerek Mérnöki és Fejlett Anyagok Intézetében egy új technológiát fejlesztettek ki az anyag 3D-s nyomtatására. Ez során hangokat, vagyis hanghullámokat használnak nyomtatási mezők létrehozására. Ezeken a hangmezőkön belül például szilárd részecskék vagy biológiai sejtek alakzatokká rendezhetők össze. Az eredmények új típusú 3D-s sejtkultúra-technológiák kialakításának útját nyitják meg, amelyek jelentős szerepet játszanak a biomedicinális technikákban. A tanulmány eredményeit február 8-án tették közzé a Science Advances folyóiratban.

A 3D nyomtatás lehetővé teszi összetett alkatrészek gyártását különböző, akár biológiai anyagokból is. A hagyományos 3D nyomtatás lassú folyamat lehet, amely során az objektumokat rétegről rétegre építik fel. Heidelbergi és Tübingeni kutatók most bemutatják, hogyan lehet kisebb építőelemekből egy lépésben 3D-s tárgyat formálni.

„Célzott és formázott ultrahang segítségével a legkisebb részecskéket egyetlen lépésben tudtuk összerakni háromdimenziós tárggyá” – mondja Kai Melde, a csoport posztdoktori tagja és a tanulmány első szerzője. „Ez nagyon hasznos lehet a úgynevezett bioprintingnál. Az ott használt sejtek különösen érzékenyek a környezeti hatásokra, az ultrahang pedig egy gyengéd módszer” – egészíti ki Peer Fischer, a Heidelbergi Egyetem professzora.

A hanghullámok erőket gyakorolnak az anyagra – ezt minden koncertlátogató tudja, aki tapasztalta a hangszóró által keltett nyomáshullámokat. Magas frekvenciájú ultrahanggal, amely nem hallható az emberi fül számára, a hullámhosszakat egy milliméternél kisebbre lehet csökkenteni a mikroszkopikus tartományba, így a kutatók nagyon kicsi építőelemeket, például biológiai sejteket manipulálhatnak.

Korábbi tanulmányaikban Peer Fischer és kollégái bemutatták, hogyan lehet akusztikus hologrammok – 3D-nyomtatott lapok, amelyek egy adott hangmezőt kódolnak – segítségével ultrahangot generálni. Demonstrálták, hogy ezeket a hangmezőket fel lehet használni anyagok kétdimenziós mintázatokká való összeállítására.

Új tanulmányukkal a csapat még tovább lépett. A hangmezőkben szabadon lebegő részecskéket és sejteket fogtak be a vízben, és háromdimenziós formákká rendeztek. Emellett az új módszer számos anyaggal működik, beleértve üveg- vagy hidrogélgolyókat és biológiai sejteket is. Kai Melde, a tanulmány első szerzője szerint „a döntő ötlet az volt, hogy több akusztikus hologrammot egyesítve egy olyan hangmezőt hozzunk létre, amely képes befogni a részecskéket”. Heiner Kremer, aki a hologrammezők optimalizálására szolgáló algoritmust írta, hozzáteszi: „Egy egész 3D-s objektum digitalizálása ultrahang-hologrammezők segítségével nagyon számításigényes, és új számítási rutinokat igényelt.”

A tudósok úgy vélik, hogy technológiájuk nagy lépést jelent a sejtkultúrák és szövetek 3D-s kialakításában. Az ultrahang előnye, hogy kíméletes a sejtekhez, és mélyen behatolhat a szövetekbe. Így az új módszer lehetővé teszi sejtek károsodás nélküli manipulálását távolról is.