Die Techniken, Anwendungen und verwendeten Materialien werden immer raffinierter: In den letzten Jahren wurden viele spannende Verfahren des dreidimensionalen Druckens entwickelt. Grundsätzlich basieren sie meist darauf, dass bestimmte Substanzen schicht- oder schrittweise aufgebaut werden, um nach und nach dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Wissenschaftler arbeiten auch bereits an sogenannten Bioprinting-Verfahren, bei denen etwa Zellsuspensionen durch Düsen aufgetragen werden. Dabei handelt es sich allerdings um langsame Prozesse und die empfindlichen Substanzen werden mechanisch oder chemisch belastet. Das Team um Kai Melde und Peer Fischer vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg widmet sich deshalb der Entwicklung eines alternativen Verfahrens, bei dem diese Probleme nicht auftreten.
Im Bann raffinierter Schallwellenfelder
Das Konzept, das sie nun präsentieren, beruht auf der Kraft von Schall. Jeder kennt wohl den Effekt, dass etwa laute Musik Materie erschüttern kann. Auch hochfrequenter Ultraschall, der für das menschliche Ohr nicht hörbar ist, kann diesen Effekt verursachen – die Wellen können Druck ausüben und Bewegungen verursachen. Durch gezielte Beschallung können dabei auch sehr kleine Partikel wie biologische Zellen manipuliert werden. Dadurch lassen sich nicht nur einzelne Einheiten in bestimmte Richtungen schubsen. Spezielle Schallwellenfelder können auch dazu führen, dass Partikel zu bestimmten Stellen wandern und sich dort ansammeln. In früheren Arbeiten konnte das Forscherteam dies bereits gezielt nutzen. Sie wendeten dazu „akustische Hologramme“ an: 3D-gedruckte Platten mit feinen Strukturen, die bei Beschallung mit Ultraschall ein bestimmtes Schallfeld hervorbringen. In dessen Bann ordnen sich Partikel zu komplexen zweidimensionalen Mustern an, haben die Forscher bereits verdeutlicht.
Nun haben sie diese Technik erfolgreich in die dritte Dimension übertragen. „Die entscheidende Idee war dabei, mehrere akustische Hologramme zusammen zu verwenden und so ein Schallfeld zu erzeugen, das die Partikel einfangen kann“, sagt Melde. Die Forscher rüsteten dazu drei Ultraschallwandler mit jeweils speziell geformten Hologramm-Platten aus, die für spezielle Druckwellenmuster sorgen konnten. Gemeinsam sollten sie ein System ergeben, in dem ein 3D-Modell eines Objekts kodiert ist. Diese Einheiten zu konzipieren, war die große Herausforderung des Ansatzes, betont Co-Autor Heiner Kremer: „Die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts in Ultraschall-Hologrammfeldern ist sehr rechenintensiv und erforderte neue Rechenroutinen“.
Potenzial für die Biomedizin
Doch es gelang dem Team schließlich, entsprechende Algorithmen zur Optimierung der Hologrammfelder zu entwickeln. „Mit dem zielgerichteten und geformten Ultraschall konnten wir kleinste Partikel in einem einzigen Schritt zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenfügen“, sagt Melde. Es handelt sich dabei um Hydrogelkügelchen sowie um biologische Zellen, die sich in einer Suspension befanden, auf die das komplexe Schallwellenfeld ausgerichtet war. Wie sich zeigte, wanderten die Partikel in seinem Bann tatsächlich zu den gewünschten Positionen und ballten sich dort zu den vorgegebenen 3D-Strukturen zusammen. Bei ihren Versuchen erzeugten die Forscher bisher Spiralformen in typischerweise im Labor eingesetzten Kleingefäßen. Fixiert werden konnten diese Gebilde anschließend durch eine gezielte Gelierung der umgebenden Restflüssigkeit.
