Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universität Heidelberg haben eine Methode entwickelt, um Materie mit Schallwellen per 3D-Druck zu verarbeiten. Das berichtet das Max-Planck-Institut in einer Pressemitteilung. Mit den Schallwellen erzeugen sie Druckfelder, innerhalb derer zum Beispiel Feststoffpartikel oder biologische Zellen zu ausgewählten Formen zusammengesetzt werden. Sie gehen davon aus, dass diese Erkenntnisse den Weg für neuartige 3D-Zellkulturtechniken mit hoher Relevanz für biomedizinische Techniken ebnen könnte. Ihre Arbeit wurde im Fachjournal Science Advances mit dem Titel „Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D“ veröffentlicht.
3D-Objekte in nur einem Schritt
Der herkömmliche 3D-Druck ist ein vergleichsweise langsamer Prozess, bei dem Objekte schichtweise entstehen. Die nun vorgestellte Methode ermöglicht den Aufbau von einem 3D-Objekt in nur einem Schritt, beschreiben die Wissenschaftler ihr Verfahren.
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Kai Melde, Postdoc in der Gruppe und Erstautor der Studie, sagte:
„Mit zielgerichtetem und geformtem Ultraschall konnten wir kleinste Partikel in einem einzigen Schritt zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenfügen.“
Peer Fischer, Professor an der Universität Heidelberg, ergänzt:
„Das kann für das sogenannte Bioprinting sehr nützlich sein. Die dort verwendeten Zellen sind besonders empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und Ultraschall ist eine sanfte Methode.“
Schallwellen üben Kräfte auf eine Materie aus. Mit hochfrequentem Ultraschall, der für das menschliche Ohr nicht hörbar ist, lassen sich die Wellenlängen unter einen Millimeter in den mikroskopischen Bereich verschieben, wodurch die Forscher sehr kleine Bausteine wie biologische Zellen manipulieren.
Schallfelder und 3D-Druck
Peer Fischer und seine Kollegen haben bereits in früheren Studien gezeigt, wie Ultraschall mit akustischen Hologrammen, 3D-gedruckten Platten, die ein bestimmtes Schallfeld kodieren sollen, erzeugt werden kann. Sie zeigten, dass Schallfelder verwendet werden können, um Materialien zu zweidimensionalen Mustern zusammenzusetzen. In ihrer neuen Studie fangen sie in den Schallfeldern im Wasser schwebende Partikel und Zellen ein und setzen sie zu dreidimensionalen Formen zusammen. Die neue Methode funktioniert mit einer Vielzahl von Materialien, darunter Glas- oder Hydrogelperlen sowie biologische Zellen.
Dazu erklärt Erstautor Kai Melde:
„Die entscheidende Idee war, mehrere akustische Hologramme zusammen zu verwenden und so ein Schallfeld zu bilden, das die Partikel einfangen kann.“
Heiner Kremer, der den Algorithmus zur Optimierung der Hologrammfelder geschrieben hat, ergänzt:
„Die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts in Ultraschall-Hologrammfelder ist sehr rechenintensiv und erforderte neue Rechenroutinen.“
Laut den Forschern kann ihre Technologie für die Bildung von Zellkulturen und Geweben in 3D ein großer Fortschritt sein. Der Ultraschall ist schonend für Zellen und kann tief in das Gewebe eindringen. Mit der neuen Methode können Zellen ohne Schaden auch aus der Ferne manipuliert werden.
