Ученые из лаборатории микро-, нано- и молекулярных систем Института медицинских исследований Макса Планка и Института инженерии молекулярных систем и передовых материалов Гейдельбергского университета создали новую технологию для сборки материи в 3D. Их концепция использует несколько акустических голограмм для создания полей давления, с помощью которых можно печатать твердые частицы, гелевые шарики и даже биологические клетки.
Эти результаты открывают путь к новым методам трехмерного культивирования клеток с применением в биомедицинской инженерии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.
Аддитивное производство или 3D-печать позволяют изготавливать сложные детали из функциональных или биологических материалов. Обычная 3D-печать может быть медленным процессом, когда объекты строятся по одной линии или по одному слою за раз. Исследователи из Гейдельберга и Тюбингена теперь демонстрируют, как сформировать трехмерный объект из более мелких строительных блоков всего за один шаг.
«Мы смогли собрать микрочастицы в трехмерный объект за один выстрел с помощью ультразвука определенной формы», — говорит Кай Мелде, постдоктор группы и первый автор исследования. «Это может быть очень полезно для биопечати. Используемые там клетки особенно чувствительны к окружающей среде во время процесса», — добавляет Пер Фишер, профессор Гейдельбергского университета.
Звуковые волны воздействуют на материю — факт, известный любому посетителю концерта, который испытывает волны давления из громкоговорителя. С помощью высокочастотного ультразвука, который не слышен человеческому уху, длины волн могут быть уменьшены до миллиметра в микроскопическом диапазоне, который используется исследователем для манипулирования очень маленькими строительными блоками, такими как биологические клетки.
В своих предыдущих исследованиях Пир Фишер и его коллеги показали, как формировать ультразвук с помощью акустических голограмм — 3D-печатных пластин, которые предназначены для кодирования определенного звукового поля. Они продемонстрировали, что эти звуковые поля можно использовать для сборки материалов в двухмерные узоры. На основе этого ученые разработали концепцию изготовления.
В своем новом исследовании команда смогла продвинуть свою концепцию на шаг вперед. Они улавливают частицы и клетки, свободно плавающие в воде, и собирают их в трехмерные формы. Кроме того, новый метод работает с различными материалами, включая стеклянные или гидрогелевые шарики и биологические клетки.
Первый автор Кай Мелде говорит, что «ключевая идея заключалась в том, чтобы использовать несколько акустических голограмм вместе и сформировать комбинированное поле, которое может улавливать частицы». Хайнер Кремер, написавший алгоритм оптимизации полей голограммы, добавляет: «Оцифровка всего 3D-объекта в поля ультразвуковой голограммы требует больших вычислительных ресурсов и потребовала от нас разработки новой вычислительной процедуры».
Ученые считают, что их технология является перспективной платформой для формирования клеточных культур и тканей в 3D. Преимущество ультразвука в том, что он достаточно мягок для воздействия на биологические клетки и может проникать глубоко в ткани. Таким образом, его можно использовать для удаленного управления и перемещения ячеек без вреда.