Επιστήμονες συναρμολογούν την ύλη σε 3D χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα για τρισδιάστατη εκτύπωση
Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Ιατρικής Έρευνας Max Planck και το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης δημιούργησαν μια νέα τεχνολογία για τη συναρμολόγηση ύλης σε 3D. Η ιδέα τους χρησιμοποιεί πολλαπλά ακουστικά ολογράμματα για τη δημιουργία πεδίων πίεσης με τα οποία μπορούν να εκτυπωθούν στερεά σωματίδια, σφαιρίδια γέλης και ακόμη και βιολογικά κύτταρα. Αυτά τα αποτελέσματα ανοίγουν το δρόμο για νέες τεχνικές τρισδιάστατης κυτταροκαλλιέργειας με εφαρμογές στη βιοϊατρική μηχανική.
Η κατασκευή πρόσθετων ή η εκτύπωση 3D επιτρέπει την κατασκευή πολύπλοκων εξαρτημάτων από λειτουργικά ή βιολογικά υλικά. Η συμβατική τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να είναι μια αργή διαδικασία, όπου τα αντικείμενα κατασκευάζονται μία γραμμή ή ένα στρώμα τη φορά. Ερευνητές στη Χαϊδελβέργη και στο Tübingen δείχνουν τώρα πώς να σχηματίσετε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο από μικρότερα δομικά στοιχεία σε ένα μόνο βήμα. «Καταφέραμε να συγκεντρώσουμε μικροσωματίδια σε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο μέσα σε ένα μόνο πλάνο χρησιμοποιώντας διαμορφωμένους υπέρηχους», λέει ο Kai Melde, μεταδιδακτορικός στην ομάδα και πρώτος συγγραφέας της μελέτης. "Αυτό μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο για βιοεκτύπωση. Τα κύτταρα που χρησιμοποιούνται εκεί είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στο περιβάλλον κατά τη διάρκεια της διαδικασίας", προσθέτει ο Peer Fischer, Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης.
Τα ηχητικά κύματα ασκούν δυνάμεις στην ύλη -- ένα γεγονός που είναι γνωστό σε κάθε θεατή της συναυλίας που βιώνει τα κύματα πίεσης από ένα μεγάφωνο. Χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής συχνότητας, που δεν ακούγονται στο ανθρώπινο αυτί, τα μήκη κύματος μπορούν να ωθηθούν κάτω από ένα χιλιοστό στο μικροσκοπικό πεδίο, το οποίο χρησιμοποιείται από τον ερευνητή για να χειριστεί πολύ μικρά δομικά στοιχεία, όπως τα βιολογικά κύτταρα.
Σε προηγούμενες μελέτες τους ο Peer Fischer και οι συνεργάτες του έδειξαν πώς να σχηματίζουν υπερήχους χρησιμοποιώντας ακουστικά ολογράμματα -- τρισδιάστατες εκτυπωμένες πλάκες, οι οποίες είναι κατασκευασμένες για να κωδικοποιούν ένα συγκεκριμένο ηχητικό πεδίο. Αυτά τα ηχητικά πεδία, απέδειξαν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συναρμολόγηση υλικών σε δισδιάστατα μοτίβα. Με βάση αυτό οι επιστήμονες επινόησαν μια ιδέα κατασκευής.
Το ακουστικό πεδίο πιάνει σωματίδια
Με τη νέα τους μελέτη, η ομάδα μπόρεσε να πάει την ιδέα της ένα βήμα παραπέρα. Συλλαμβάνουν σωματίδια και κύτταρα που επιπλέουν ελεύθερα στο νερό και τα συναρμολογούν σε τρισδιάστατα σχήματα. Επιπλέον, η νέα μέθοδος λειτουργεί με μια ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένων σφαιριδίων από γυαλί ή υδρογέλη και βιολογικά κύτταρα. Ο πρώτος συγγραφέας Kai Melde λέει ότι «η κρίσιμη ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλά ακουστικά ολογράμματα μαζί και να σχηματιστεί ένα συνδυασμένο πεδίο που μπορεί να πιάσει τα σωματίδια». Ο Heiner Kremer, ο οποίος έγραψε τον αλγόριθμο για τη βελτιστοποίηση των πεδίων ολογράμματος, προσθέτει: «Η ψηφιοποίηση ενός ολόκληρου τρισδιάστατου αντικειμένου σε πεδία ολογραμμάτων υπερήχων είναι υπολογιστικά πολύ απαιτητική και μας απαιτούσε να βρούμε μια νέα υπολογιστική ρουτίνα».
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η τεχνολογία τους είναι μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για το σχηματισμό κυτταροκαλλιεργειών και ιστών σε 3D. Το πλεονέκτημα του υπερήχου είναι ότι είναι ήπιο για τη χρήση βιολογικών κυττάρων και ότι μπορεί να ταξιδέψει βαθιά στον ιστό. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον απομακρυσμένο χειρισμό και την ώθηση κυττάρων χωρίς βλάβη.
