Германски учени създават 3D обекти със звук

Учени от Института за медицински изследвания "Макс Планк" и Хайделбергския университет са създали нова технология за сглобяване на материя в 3D.

Тяхната концепция използва множество акустични холограми за генериране на полета на налягане, с които могат да се принтират твърди частици, гел-гранули и дори биологични клетки.

Тези резултати проправят пътя към нови техники за 3D клетъчно култивиране с приложение в биомедицинското инженерство.

Този метод на 3D принтиране позволява изработването на сложни части от функционални или биологични материали. Обичайното 3D принтиране обикновено е бавен процес, при който обектите се изграждат една по една линия или един по един слой.

Изследователи от Хайделберг и Тюбинген сега демонстрират как се формира 3D обект от по-малки градивни елементи само в една стъпка.

"Успяхме да сглобим микрочастици в триизмерен обект в рамките на един опит с помощта на формиращ ултразвук", заявява Кай Мелде (Kai Melde), постдокторант в групата и водещ автор на изследването.

"Това може да бъде много полезно за биопринтирането. Клетките, които се използват при него, са особено чувствителни към околната среда по време на процеса", добавя Пеер Фишер (Peer Fischer), професор в Хайделбергския университет.

Звуковите вълни упражняват натиск върху материята - факт, който е известен на всеки посетител на концерт, ако попадне близо до високоговорител.

С помощта на високочестотен ултразвук, който е недоловим за човешкото ухо, дължината на вълната може да бъде намалена под един милиметър в микроскопски диапазон, което се използва от изследователите за манипулиране на много малки градивни елементи като биологичните клетки.

В предишните си изследвания  Фишер и колегите му показват как може да се формира ултразвук с помощта на акустични холограми - 3D-отпечатани пластини, които са направени така, че да кодират определено звуково поле. Те демонстрират, че тези звукови полета могат да се използват за сглобяване на материали в двуизмерни модели. Въз основа на това учените разработват концепция за производство.

Акустичното поле улавя частици

С новото си изследване екипът успява да направи още една стъпка напред в своята концепция.

Те улавят свободно плаващи във водата частици и клетки и ги сглобяват в триизмерни форми. Освен това новият метод работи с различни материали, включително стъклени или хидрогелни топчета и биологични клетки.

"Решаващата идея е да се използват няколко акустични холограми заедно и да се образува комбинирано поле, което да улавя частиците", отбелязва водещият автор Кай Мелде.

Хайнер Кремер (Heiner Kremer), който е написал алгоритъма за оптимизиране на холограмните полета, добавя:

"Дигитализирането на цял 3D обект в полета на ултразвукови холограми е много сложно от изчислителна гледна точка и изискваше от нас да измислим нова изчислителна процедура."

Учените смятат, че тяхната технология е обещаваща платформа за формиране на клетъчни култури и тъкани в 3D. Предимството на ултразвука е, че е щадящ за използването на биологични клетки и че може да се придвижва дълбоко в тъканите. По този начин той може да се използва за дистанционно манипулиране и придвижване на клетките, без да им навреди.

Справка: Kai Melde, Heiner Kremer, Minghui Shi, Senne Seneca, Christoph Frey, Ilia Platzman, Christian Degel, Daniel Schmitt, Bernhard Schölkopf, Peer Fischer. Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D. Science Advances, 2023; 9 (6) DOI: 10.1126/sciadv.adf6182

Източник: Creating 3D objects with sound, Max-Planck-Gesellschaft