Der 3D-Druck boomt: In den letzten Jahren wurden viele spannende Verfahren zu Herstellung komplexer Gebilde aus vielen unterschiedlichen Materialien entwickelt. Die meisten basieren darauf, dass die Substanzen schicht- oder schrittweise aufgetragen werden, um nach und nach eine gewünschte dreidimensionale Struktur hervorzubringen. Daneben wurde aber auch bereits ein alternatives Verfahren entwickelt, das keine stabile Unterlage benötigt: Die dreidimensionalen Objekte entstehen dabei in einem Volumen aus lichtempfindlicher Tinte. Darin bringen präzise fokussierte Strahlen die Substanz an bestimmten Stellen zum Aushärten.
Die Tinte muss bei diesem Konzept allerdings transparent sein und darf nicht durch Objekte verdeckt werden, damit die Lichtstrahlen für die Aushärtung am Fokuspunkt sorgen können. Doch nun hat ein Team aus US-Forschern ein Verfahren entwickelt, das diese Einschränkung umgehen kann. Anstatt Licht nutzen sie zur Aushärtung der Tinte Ultraschallwellen, die für ihr durchdringendes, aber dennoch schonendes Potenzial bekannt sind. Ihre „Deep-Penetrating Acoustic Volumetric Printing“ genannte Druckmethode basiert dabei auf der Entwicklung einer sogenannten Sono-Tinte aus biologisch verträglichen Komponenten. Es handelt sich um eine Hydrogel-Substanz, die spezielle Mikropartikel und Moleküle enthält, die auf Ultraschallwellen reagieren.
Fokussierte Schallwellen statt Licht
„Das System basiert auf einem sonothermischen Effekt, der entsteht, wenn Schallwellen absorbiert werden und dadurch die Temperatur erhöhen. Dies führt dann zur Aushärtung unserer Tinte“, erklärt Co-Autor Junjie Yao von der Duke University in Durham. „Ultraschallwellen können mehr als 100-mal tiefer als Licht eindringen und dennoch räumlich begrenzt werden, sodass wir Gewebe, Knochen und Organe mit hoher räumlicher Präzision erreichen können, die mit lichtbasierten Druckmethoden nicht zugänglich sind“, sagt Yao.
Konkret ist der Ablauf bei dem Konzept: Die viskose Sono-Tinte wird mit einer Spritze am Einsatzort injiziert. Anschließend werden mit einer speziellen Ultraschall-Drucksonde fokussierte Ultraschallwellen in das Tinten-Volumen gesendet. Durch den härtenden Effekt im Fokus können sich dann die gewünschten Strukturen durch die Bewegung der Ultraschall-Drucksonde aufbauen lassen. Je nach Bestrahlungsintensität und Formulierung der Tinte können dabei auch unterschiedliche Härtegrade erreicht werden. So lassen sich etwa dreidimensionale Gebilde mit der Härte von Knochenmaterial erzeugen oder flexiblere Strukturen, die sich mit Organen kombinieren lassen. „Sobald das Gebilde fertig ist, kann man die verbleibende, nicht verfestigte Tinte mit einer Spritze entfernen“, sagt Co-Autor Shrike Zhang von der Harvard Medical School in Cambridge.
