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Faszination Technik Mit Schallwellen kleinste 3D-Objekte formen

Quelle: MPI für medizinische Forschung / Redakteur: Dorothee Quitter

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: eine neue 3D-Druck-Technologie, die mithilfe von akustischen Hologrammen Feststoffpartikel oder biologische Zellen per Ultraschall zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenfügt.

Die neue Technologie, mit der Materie in nur einem Schritt 3D-gedruckt werden kann, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg entwickelt. Dabei bildet Ultraschall ein Schallfeld, in dem Partikel zu einem Objekt geformt werden.
Die neue Technologie, mit der Materie in nur einem Schritt 3D-gedruckt werden kann, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg entwickelt. Dabei bildet Ultraschall ein Schallfeld, in dem Partikel zu einem Objekt geformt werden.
(Bild: Kai Melde - MPI für medizinische Forschung)

Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Teile aus verschiedenen, sogar biologischen Materialien. Da die Objekte schichtweise aufgebaut werden, dauert der Prozess einige Zeit. Forscher in Heidelberg und Tübingen zeigen nun, wie man aus kleineren Bausteinen in nur einem Schritt ein 3D-Objekt formt. Dafür verwenden sie zielgerichteten und geformten Ultraschall. Für das sogenannte Bioprinting sei das sehr nützlich. Denn die dort verwendeten Zellen sind besonders empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Und Ultraschall ist eine sanfte Methode, heißt es.

Die Kraft von Schallwellen

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 die Forschenden jetzt sehr kleine Bausteine wie biologische Zellen manipulieren können.

Ultraschall mithilfe von akustischen Hologrammen erzeugen

In früheren Studien zeigten die Forscher aus Heidelberg, wie Ultraschall mithilfe von akustischen Hologrammen – 3D-gedruckten Platten, die ein bestimmtes Schallfeld kodieren sollen – erzeugt werden kann. Sie demonstrierten, dass diese Schallfelder verwendet werden können, um Materialien zu zweidimensionalen Mustern zusammenzusetzen.

Kombination der akustischen Hologramme

Mit ihrer neuen Studie konnte das Team die Idee nun einen Schritt weiterbringen. Sie verwendeten mehrere akustische Hologramme zusammen und konnten so ein Schallfeld bilden, das frei im Wasser schwebende Partikel und Zellen einfangen und zu dreidimensionalen Formen zusammensetzen kann. Dabei sei die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts in Ultraschall-Hologrammfelder sehr rechenintensiv und erfordere neue Rechenroutinen. Die neue Methode soll mit einer Vielzahl von Materialien funktionieren, darunter Glas- oder Hydrogelperlen und biologische Zellen. Die Wissenschaftler glauben, dass ihre Technologie für die Bildung von Zellkulturen und Geweben in 3D einen großen Fortschritt bedeutet.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science Advances

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