La stampa 3D con ultrasuoni dal Max Planck Institute e dall’Università di Heidelberg

I ricercatori usano gli ultrasuoni per assemblare particelle in oggetti tridimensionali

I campi sonori olografici compatti consentono un rapido assemblaggio di materia in 3D in un solo passaggio

 
Gli scienziati del Max Planck Institute for Medical Research e dell’Università di Heidelberg hanno sviluppato una nuova tecnologia per stampare la materia in 3D. Usano le onde sonore per generare campi di pressione. All’interno di questi campi sonori, ad esempio, particelle solide o cellule biologiche possono essere assemblate in forme selezionate. I risultati aprono la strada a nuove tecniche di coltura cellulare 3D di grande rilevanza per l’ingegneria biomedica. 

 
Gli ultrasuoni formano un campo sonoro in cui le particelle si formano in un oggetto.
 
La stampa 3D consente di creare parti complesse da materiali diversi, anche biologici. La stampa 3D tradizionale può essere un processo lento, costruendo oggetti strato dopo strato. I ricercatori di Heidelberg e Tubinga stanno ora mostrando come un oggetto 3D può essere formato da blocchi più piccoli in un solo passaggio. “Utilizzando ultrasuoni mirati e modellati, siamo stati in grado di assemblare le particelle più piccole in un oggetto tridimensionale in un unico passaggio”, afferma Kai Melde, postdoc del gruppo e primo autore dello studio. “Questo può essere molto utile per il cosiddetto bioprinting. Le cellule utilizzate sono particolarmente sensibili alle influenze ambientali e gli ultrasuoni sono un metodo delicato”, aggiunge Peer Fischer, professore all’Università di Heidelberg.

Le onde sonore esercitano forze sulla materia – un fatto che ogni spettatore di concerto che sente le onde di pressione da un altoparlante lo sa. Con gli ultrasuoni ad alta frequenza, che non sono udibili dall’orecchio umano, le lunghezze d’onda possono essere spostate al di sotto di un millimetro nell’intervallo microscopico. Ciò consente ai ricercatori di manipolare elementi costitutivi molto piccoli come le cellule biologiche.

In studi precedenti, Peer Fischer e i suoi colleghi hanno dimostrato come gli ultrasuoni possono essere generati utilizzando ologrammi acustici, lastre stampate in 3D progettate per codificare un campo sonoro specifico. Hanno dimostrato che questi campi sonori possono essere usati per assemblare materiali in schemi bidimensionali.

Il campo sonoro intrappola le particelle
Con il loro nuovo studio, il team è stato in grado di portare l’idea un ulteriore passo avanti. Nei campi sonori, catturano particelle e cellule che fluttuano liberamente nell’acqua e le combinano in forme tridimensionali. Inoltre, il nuovo metodo funziona con una varietà di materiali, tra cui perle di vetro o idrogel e cellule biologiche. Il primo autore Kai Melde spiega: “L’idea chiave era quella di utilizzare diversi ologrammi acustici insieme e formare così un campo sonoro in grado di catturare le particelle.” Heiner Kremer, che ha scritto l’algoritmo per ottimizzare i campi dell’ologramma, aggiunge: “La digitalizzazione di un intero L’oggetto 3D nei campi di ologrammi ultrasonici è molto intensivo dal punto di vista computazionale e richiede nuove routine di calcolo.

I ricercatori presumono che la loro tecnologia per la formazione di colture cellulari e tessuti in 3D sia un importante progresso. Gli ultrasuoni hanno il vantaggio di essere delicati sulle cellule e possono penetrare in profondità nel tessuto. In questo modo, il nuovo metodo può essere utilizzato per manipolare le cellule a distanza senza danneggiarle.