Gli scienziati del Max Planck Institute for Medical Research e dell’Università di Heidelberg hanno creato una nuova tecnologia per assemblare la materia in 3D. Il loro concetto utilizza ologrammi acustici multipli per generare campi di pressione con cui è possibile stampare particelle solide, perle di gel e persino cellule biologiche. Questi risultati aprono la strada a nuove tecniche di coltura cellulare in 3D con applicazioni nell’ingegneria biomedica. La produzione additiva o manifattura additiva o produzione a strati, o stampa 3D, è un processo industriale impiegato per fabbricare oggetti partendo da modelli 3D computerizzati, aggiungendo uno strato sopra l’altro che consente di fabbricare parti complesse con materiali funzionali o biologici. La stampa 3D convenzionale può essere un processo lento, in cui gli oggetti vengono costruiti una linea o uno strato alla volta. I ricercatori di Heidelberg e Tubinga hanno ora dimostrato come sia possibile formare un oggetto 3D da blocchi di costruzione più piccoli in un solo passaggio. “Siamo riusciti ad assemblare microparticelle in un oggetto tridimensionale in un solo colpo utilizzando ultrasuoni sagomati”, spiega Kai Melde, primo autore dello studio.
Le onde sonore esercitano forze sulla materia. Utilizzando gli ultrasuoni ad alta frequenza, che non sono udibili dall’orecchio umano, le lunghezze d’onda possono essere spinte al di sotto del millimetro, dimensioni utili per manipolare blocchi di costruzione molto piccoli, come le cellule biologiche. Nei loro studi precedenti, Peer Fischer e colleghi hanno mostrato come formare gli ultrasuoni utilizzando ologrammi acustici – lastre stampate in 3D, realizzate per codificare un campo sonoro specifico. Questi campi sonori, hanno dimostrato, possono essere utilizzati per assemblare i materiali in modelli bidimensionali. Su questa base gli scienziati hanno ideato il nuovo concetto di fabbricazione.
Il campo acustico che cattura le particelle
Con il nuovo studio, il team è riuscito a fare un ulteriore passo avanti. Hanno catturato particelle e cellule che galleggiavano liberamente nell’acqua e le hanno assemblate 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 afferma che “l’idea cruciale è stata quella di utilizzare più ologrammi acustici insieme e formare un campo combinato in grado di catturare le particelle”. Heiner Kremer, che ha scritto l’algoritmo per ottimizzare i campi ologrammatici, aggiunge: “La digitalizzazione di un intero oggetto 3D in campi di ologrammi a ultrasuoni è molto impegnativa dal punto di vista computazionale e ci ha richiesto una nuova routine di calcolo”. Gli scienziati ritengono che la loro tecnologia sia una piattaforma promettente per la formazione di colture cellulari e tessuti in 3D. Il vantaggio degli ultrasuoni è che sono abbastanza delicati per l’utilizzo di cellule biologiche e possono viaggiare in profondità nei tessuti. In questo possono essere utilizzati per manipolare e spingere a distanza le cellule senza danneggiarle.
