Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universität Heidelberg haben eine neue Technologie entwickelt, um Materie in 3D zusammenzusetzen. Ihr Konzept nutzt mehrere akustische Hologramme, um Druckfelder zu erzeugen, mit denen Feststoffpartikel, Gelperlen und sogar biologische Zellen gedruckt werden können. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für neuartige 3D-Zellkulturtechniken mit Anwendungen in der biomedizinischen Technik.
Die additive Fertigung oder der 3D-Druck ermöglichen die Herstellung komplexer Teile aus funktionellen oder biologischen Materialien. Herkömmlicher 3D-Druck kann ein langsamer Prozess sein, bei dem Objekte zeilen- oder schichtweise aufgebaut werden. Forscher in Heidelberg und Tübingen zeigen nun, wie man aus kleineren Bausteinen in nur einem Schritt ein 3D-Objekt formt. „Mit geformtem Ultraschall konnten wir Mikropartikel innerhalb einer einzigen Aufnahme zu einem dreidimensionalen Objekt zusammensetzen“, sagt Kai Melde, Postdoc in der Gruppe und Erstautor der Studie. „Das kann für das Bioprinting sehr nützlich sein. Die dort verwendeten Zellen sind während des Prozesses besonders empfindlich gegenüber der Umwelt“, ergänzt Peer Fischer, Professor an der Universität Heidelberg.
Schallwellen üben Kräfte auf Materie aus – eine Tatsache, die jeder Konzertbesucher kennt, der die Druckwellen eines Lautsprechers erlebt. Mit hochfrequentem Ultraschall, der für das menschliche Ohr nicht hörbar ist, können die Wellenlängen unter einen Millimeter in den mikroskopischen Bereich verschoben werden, mit dem der Forscher sehr kleine Bausteine wie biologische Zellen manipuliert.
In ihren früheren Studien zeigten Peer Fischer und Kollegen, wie Ultraschall mithilfe von akustischen Hologrammen – 3D-gedruckten Platten, die ein bestimmtes Schallfeld kodieren sollen – gebildet wird. Sie demonstrierten, dass diese Schallfelder verwendet werden können, um Materialien zu zweidimensionalen Mustern zusammenzusetzen. Darauf aufbauend entwickelten die Wissenschaftler ein Fertigungskonzept.
Schallfeld fängt Partikel ein
Mit ihrer neuen Studie konnte das Team sein Konzept noch einen Schritt weiter bringen. Sie fangen frei im Wasser schwebende Partikel und Zellen ein und setzen sie zu dreidimensionalen Formen zusammen. Darüber hinaus funktioniert die neue Methode mit einer Vielzahl von Materialien, darunter Glas- oder Hydrogelperlen und biologische Zellen. Erstautor Kai Melde sagt: „Die entscheidende Idee war, mehrere akustische Hologramme zusammen zu verwenden und ein kombiniertes Feld zu bilden, das die Partikel einfangen kann.“ Heiner Kremer, der den Algorithmus zur Optimierung der Hologrammfelder geschrieben hat, ergänzt: „Die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts in Ultraschall-Hologrammfelder ist rechenintensiv und erforderte von uns eine neue Rechenroutine.“
Die Wissenschaftler glauben, dass ihre Technologie eine vielversprechende Plattform für die Bildung von Zellkulturen und Geweben in 3D ist. Der Vorteil des Ultraschalls besteht darin, dass er schonend für biologische Zellen ist und tief in das Gewebe vordringen kann. Auf diese Weise kann es verwendet werden, um Zellen ohne Schaden aus der Ferne zu manipulieren und zu pushen.