3D-printen met ultrasoon

Ultrasoon beeldt een geluidsveld af waarin deeltjes tot een object worden gevormd. Kai Melde, MPI voor Medisch Onderzoek, Heidelberg Universiteit / Het gebruik van geluidsgolven om een drukveld te creëren om deeltjes te printen. Kai Melde, MPI voor Medisch Onderzoek, Heidelberg Universiteit

Wetenschappers van de onderzoeksgroep „Micro, Nano en Molecular Systems“ aan het Max-Planck-Institut für medizinische Forschung en het Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials van de Universiteit Heidelberg hebben een nieuwe technologie ontwikkeld om materie in 3D te printen. Ze maken daarbij gebruik van klanken, ofwel geluidsgolven, om drukvelden te genereren. Binnen deze geluidsgolven kunnen bijvoorbeeld vaste deeltjes of biologische cellen worden samengevoegd tot geselecteerde vormen. De bevindingen openen de weg voor nieuwe 3D-cultuurtechnieken met grote relevantie voor biomedische technieken. De resultaten van de studie werden op 8 februari gepubliceerd in Science Advances.

3D-printen maakt het mogelijk om complexe onderdelen te vervaardigen uit verschillende, zelfs biologische materialen. Traditioneel 3D-printen kan een langzaam proces zijn, waarbij objecten laag voor laag worden opgebouwd. Onderzoekers in Heidelberg en Tübingen laten nu zien hoe je uit kleinere bouwstenen in slechts één stap een 3D-object vormt.

„Met gerichte en gevormde ultrasone geluidsgolven konden we de kleinste deeltjes in één enkele stap samenvoegen tot een driedimensionaal object“, zegt Kai Melde, postdoc in de groep en eerste auteur van de studie. „Dat kan zeer nuttig zijn voor het zogenaamde bioprinten. De cellen die daarbij worden gebruikt, zijn bijzonder gevoelig voor omgevingsinvloeden en ultrasoon geluid is een zachte methode“, voegt Peer Fischer, hoogleraar aan de Universiteit Heidelberg, toe.

Geluidsgolven oefenen krachten uit op materie – een feit dat elke concertbezoeker kent die de drukgolven van een luidspreker ervaart. Met hoogfrequente ultrasone golven, die voor het menselijke oor niet hoorbaar zijn, kunnen de golflengten onder een millimeter worden verschoven naar het microscopische bereik, waarmee onderzoekers zeer kleine bouwstenen zoals biologische cellen kunnen manipuleren.

In eerdere studies toonden Peer Fischer en collega's aan hoe ultrasoon geluid kan worden gegenereerd met behulp van akoestische hologrammen – 3D-geprinte platen die een bepaald geluidveld coderen. Ze demonstreerden dat deze geluidsgolven kunnen worden gebruikt om materialen in tweedimensionale patronen samen te stellen.

Met hun nieuwe studie kon het team dat idee nog een stap verder brengen. In de geluidsgolven vangen ze vrij in het water zwevende deeltjes en cellen op en zetten ze samen tot driedimensionale vormen. Bovendien werkt de nieuwe methode met een verscheidenheid aan materialen, waaronder glazen of hydrogelparels en biologische cellen. Eerste auteur Kai Melde zegt dat „de cruciale gedachte was om meerdere hologrammen samen te gebruiken en zo een geluidveld te vormen dat de deeltjes kan vangen“. Heiner Kremer, die de algoritmen voor de optimalisatie van de hologramvelden heeft geschreven, voegt toe: „Het digitaliseren van een heel 3D-object in ultrasone hologramvelden is zeer rekenintensief en vereiste nieuwe rekenroutines.“

De wetenschappers geloven dat hun technologie voor de vorming van celkweken en weefsels in 3D een grote vooruitgang betekent. Het voordeel van ultrasoon geluid is dat het zacht is voor cellen en diep in het weefsel kan doordringen. Zo kan de nieuwe methode worden gebruikt om cellen zonder schade op afstand te manipuleren.