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 трехмерной сборки вещества. 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 технологиям 3D-культивирования клеток, которые найдут применение в биомедицинской инженерии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.
Аддитивное производство или 3D-печать позволяет изготавливать сложные детали из функциональных или биологических материалов. Традиционная 3D-печать может быть медленным процессом, когда объекты создаются по одной линии или одному слою за раз. Теперь исследователи из Гейдельберга и Тюбингена демонстрируют, как можно сформировать 3D-объект из небольших строительных блоков всего за один шаг.
«Мы смогли собрать микрочастицы в трехмерный объект за один выстрел с помощью фигурного ультразвука», — говорит Кай Мельде, постдок в группе и первый автор исследования. Это может быть очень полезно для биопринтинга». Клетки, которые там используются, особенно чувствительны к окружающей среде во время процесса», — добавляет Пеер Фишер, профессор Гейдельбергского университета.
Звуковые волны воздействуют на материю — этот факт известен любому посетителю концерта, который ощущает волны давления от громкоговорителя. Используя высокочастотный ультразвук, неслышимый человеческим ухом, длину волны можно переместить ниже миллиметра в микроскопическую область, что используется исследователем для манипулирования очень маленькими строительными блоками, такими как биологические клетки.
В своих предыдущих исследованиях Пеер Фишер и коллеги показали, как формировать ультразвук с помощью акустических голограмм — 3D-печатных пластин, на которых закодировано определенное звуковое поле. Эти звуковые поля, как они продемонстрировали, могут быть использованы для сборки материалов в двухмерные узоры. На основе этого ученые разработали концепцию производства.
В своем новом исследовании команда смогла продвинуть свою концепцию на шаг вперед. Они захватывают 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 бусины и биологические клетки.
Первый автор Кай Мельде говорит, что «основная идея заключалась в том, чтобы использовать несколько акустических голограмм вместе и сформировать комбинированное поле, способное улавливать частицы». Хайнер Кремер, написавший алгоритм для оптимизации полей голограмм, добавляет: «Оцифровка всего 3D-объекта в поля ультразвуковых голограмм требует больших вычислительных затрат, поэтому нам пришлось придумать новую методику вычислений».