Stampa 3D con ultrasuoni

L'ecografia crea un campo sonoro in cui le particelle vengono modellate in un oggetto. Kai Melde, MPI per la Ricerca Medica, Università di Heidelberg / L'uso delle onde sonore per creare un campo di pressione per stampare particelle. Kai Melde, MPI per la Ricerca Medica, Università di Heidelberg

Scienziat* delle gruppi di ricerca "Micro, Nano e Sistemi Molecolari" presso l'Istituto Max-Planck per la Ricerca Medica e dell'Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials dell'Università di Heidelberg hanno sviluppato una nuova tecnologia per la stampa 3D della materia. Utilizzano onde sonore, o onde acustiche, per generare campi di pressione. All'interno di questi campi acustici, ad esempio, particelle solide o cellule biologiche possono essere assemblate in forme specifiche. Le scoperte aprono la strada a nuove tecniche di coltura cellulare 3D di grande rilevanza per le tecniche biomediche. I risultati dello studio sono stati pubblicati l'8 febbraio su Science Advances.

La stampa 3D permette di realizzare parti complesse utilizzando materiali diversi, anche biologici. La stampa 3D tradizionale può essere un processo lento, in cui gli oggetti vengono costruiti strato dopo strato. Ricercatori* di Heidelberg e Tübingen mostrano ora come, partendo da blocchi più piccoli, si possa formare un oggetto 3D in un solo passaggio.

"Con ultrasuoni mirati e modellati, siamo riusciti a unire le particelle più piccole in un singolo passaggio in un oggetto tridimensionale", afferma Kai Melde, ricercatore* postdoc nel gruppo e primo autore dello studio. "Questo può essere molto utile per il cosiddetto bioprinting. Le cellule utilizzate sono particolarmente sensibili agli agenti ambientali e gli ultrasuoni sono un metodo delicato", aggiunge Peer Fischer, professore all'Università di Heidelberg.

Le onde sonore esercitano forze sulla materia – una realtà nota a ogni ascoltatore di concerti che ha sperimentato le onde di pressione di un altoparlante. Con ultrasuoni ad alta frequenza, non udibili dall'orecchio umano, le lunghezze d'onda possono essere ridotte a meno di un millimetro, entrando nell'ambito microscopico, permettendo ai ricercatori di manipolare piccole componenti come cellule biologiche.

In studi precedenti, Peer Fischer e colleghi* hanno mostrato come gli ultrasuoni possano essere generati utilizzando ologrammi acustici – lastre stampate in 3D che codificano un determinato campo sonoro. Hanno dimostrato che questi campi acustici possono essere usati per assemblare materiali in motivi bidimensionali.

Con il loro nuovo studio, il team ha fatto un passo avanti. Nei campi acustici catturano particelle e cellule che fluttuano liberamente nell'acqua, assemblandole in forme tridimensionali. Inoltre, il nuovo metodo funziona con una vasta gamma di materiali, tra cui perle di vetro o idrogel e cellule biologiche. Kai Melde, primo autore, afferma che "l'idea chiave è stata quella di combinare più ologrammi acustici per formare un campo sonoro capace di catturare le particelle". Heiner Kremer, che ha scritto l'algoritmo per ottimizzare i campi ologrammi, aggiunge: "La digitalizzazione di un intero oggetto 3D in campi ologrammi acustici è molto intensiva dal punto di vista computazionale e ha richiesto nuove routine di calcolo."

Gli scienziat* credono che la loro tecnologia rappresenti un grande progresso nella formazione di colture cellulari e tessuti in 3D. Il vantaggio degli ultrasuoni è che sono delicati sulle cellule e penetrano profondamente nei tessuti. In questo modo, il nuovo metodo può essere usato per manipolare le cellule anche da remoto, senza danno.