3D-objecten creëren met geluid

3D-printen kan een langzaam proces zijn, waarbij objecten één lijn of één laag tegelijk worden geconstrueerd. Onderzoekers in Heidelberg en Tübingen hebben ontdekt hoe je in één stap een 3D-object kunt vormen uit kleinere bouwstenen. Met behulp van geluidsgolven.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

De technologie maakt gebruik van meerdere akoestische hologrammen om drukvelden te genereren waarmee vaste deeltjes, gelbolletjes en zelfs biologische cellen kunnen worden geprint.

“We zijn erin gelaagd om microdeeltjes samen te voegen tot een driedimensionaal object in één enkele productiegang met behulp van ultrasone golven”, zegt eerste auteur Kai Melde. “Dit kan erg handig zijn voor bioprinting. De cellen die daarbij worden gebruikt, zijn tijdens het proces bijzonder gevoelig”, vult professor Peer Fischer aan.

Geluidsgolven oefenen krachten uit op materie. Hoogfrequent ultrageluid, dat onhoorbaar is voor het menselijk oor, kan met zijn golflengten van minder dan een millimeter het microscopische rijk beïnvloeden.

In eerdere studies lieten Fischer en collega’s zien hoe ze ultrageluid kunnen vormen met behulp van akoestische hologrammen – 3D-geprinte platen, die zijn gemaakt om een specifiek geluidsveld te coderen. Die geluidsvelden kunnen worden gebruikt om materialen samen te voegen tot tweedimensionale patronen. Nu heeft het team deeltjes en cellen gevangen die vrij in het water drijven en ze samengevoegd tot driedimensionale vormen. Bovendien werkt de nieuwe methode met verschillende materialen, waaronder glas- of hydrogelparels en biologische cellen.

Melde zegt dat “het cruciale idee was om meerdere akoestische hologrammen samen te gebruiken en een gecombineerd veld te vormen dat de deeltjes kan opvangen”. Heiner Kremer, die het algoritme schreef om de hologramvelden te optimaliseren, voegt eraan toe: “De digitalisering van een volledig 3D-object in ultrasone hologramvelden is rekenkundig zeer veeleisend en vereiste dat we met een nieuwe rekenroutine kwamen”.

De wetenschappers geloven dat hun technologie een veelbelovend platform is voor de vorming van celculturen en weefsels in 3D. Het voordeel van echografie is dat het zacht is voor het gebruik van biologische cellen en dat het diep in het weefsel kan doordringen. Op deze manier kan het worden gebruikt om cellen op afstand te manipuleren en te duwen zonder schade.