3D-Druck mit Ultraschall

Ultradźwięki tworzą pole dźwiękowe, w którym cząstki są formowane w obiekt. Kai Melde, MPI dla Badań Medycznych, Uniwersytet w Heidelbergu / Wykorzystanie fal dźwiękowych do tworzenia pola ciśnienia w celu drukowania cząstek. Kai Melde, MPI dla Badań Medycznych, Uniwersytet w Heidelbergu

Naukowcy z grupy badawczej „Micro, Nano and Molecular Systems” w Max-Planck-Institut für medizinische Forschung oraz z Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials na Uniwersytecie Heidelberg opracowali nową technologię umożliwiającą drukowanie materii w 3D. Wykorzystują dźwięki, czyli fale dźwiękowe, do generowania pól ciśnienia. W obrębie tych pól dźwiękowych można na przykład łączyć cząstki stałe lub komórki biologiczne w wybrane kształty. Wyniki te torują drogę dla nowatorskich technik hodowli komórek 3D, które mają wysokie znaczenie dla technik biomedycznych. Wyniki badania zostały opublikowane 8 lutego w Science Advances.

Druk 3D umożliwia wytwarzanie skomplikowanych elementów z różnych, nawet biologicznych materiałów. Tradycyjny druk 3D może być procesem powolnym, polegającym na warstwowym budowaniu obiektów. Naukowcy z Heidelbergu i Tübingen pokazują teraz, jak z mniejszych elementów w jednym kroku uformować obiekt 3D.

„Za pomocą ukierunkowanego i uformowanego ultradźwięku mogliśmy w jednym kroku złączyć najmniejsze cząstki w trójwymiarowy obiekt”, mówi Kai Melde, doktorant w grupie i główny autor badania. „To może być bardzo przydatne w tak zwanym bioprintingu. Komórki używane tam są szczególnie wrażliwe na wpływy środowiskowe, a ultradźwięki to delikatna metoda”, dodaje Peer Fischer, profesor na Uniwersytecie Heidelberg.

Fale dźwiękowe wywierają siły na materię – fakt, który zna każdy meloman, doświadczając fal dźwiękowych z głośnika. Przy użyciu wysokoczęstotliwości ultradźwięków, które są niesłyszalne dla ludzkiego ucha, długości fal mogą być przesuwane poniżej milimetra w obszar mikroskopowy, co pozwala naukowcom manipulować bardzo małymi elementami, takimi jak komórki biologiczne.

W wcześniejszych badaniach Peer Fischer i współpracownicy pokazali, jak ultradźwięki mogą być generowane za pomocą akustycznych hologramów – 3D wydrukowanych płyt, które mają kodować określone pole dźwiękowe. Demonstrowali, że te pola dźwiękowe można wykorzystywać do składania materiałów w dwuwymiarowe wzory.

W swoim nowym badaniu zespół posunął tę koncepcję o krok dalej. W polach dźwiękowych łapią swobodnie unoszące się w wodzie cząstki i komórki, a następnie łączą je w trójwymiarowe kształty. Ponadto nowa metoda działa na szeroką gamę materiałów, w tym na perły szklane lub hydrożelowe oraz komórki biologiczne. Główny autor Kai Melde mówi, że „kluczową ideą było użycie kilku hologramów akustycznych razem, aby utworzyć pole dźwiękowe, które może chwytać cząstki”. Heiner Kremer, który napisał algorytm optymalizacji hologramów, dodaje: „Digitalizacja całego obiektu 3D w polach hologramów ultradźwiękowych jest bardzo obliczeniowo intensywna i wymagała nowych rutyn obliczeniowych”.

Naukowcy wierzą, że ich technologia stanowi duży krok naprzód w tworzeniu kultur komórkowych i tkanek 3D. Zaleta ultradźwięków polega na tym, że są one delikatne dla komórek i mogą głęboko penetrować tkankę. W ten sposób nowa metoda może być używana do manipulowania komórkami na odległość, bez ich uszkodzenia.