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Vom Klang und Schall zum 3D-Druck

Wissenschaftler der Gruppe „Micro, Nano and Molecular Systems“ am Max-Planck-Institut für medizini-
sche Forschung und des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der
Universität Heidelberg haben eine neue Technologie entwickelt, um Materie in 3D zu drucken. Sie nutzen

dabei Klänge, bzw. Schallwellen, um Druckfelder zu erzeugen. Innerhalb dieser Schallfelder können zum
Beispiel Feststoffpartikel oder biologische Zellen zu ausgewählten Formen zusammengesetzt werden.
Die Erkenntnisse ebnen den Weg für neuartige 3D-Zellkulturtechniken mit hoher Relevanz für
biomedizinische Techniken.

3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Teile aus ver- Wasser schwebende Partikel und Zellen ein und setzen sie zu drei-
schiedenen, sogar biologischen Materialien. Herkömmlicher dimensionalen Formen zusammen. Darüber hinaus funktioniert
3D-Druck kann ein langsamer Prozess sein, bei dem Objekte die neue Methode mit einer Vielzahl von Materialien, darunter
schichtweise aufgebaut werden. Forscher*innen in Heidelberg Glas- oder Hydrogelperlen und biologische Zellen. Erstautor Kai
und Tübingen zeigen nun, wie man aus kleineren Bausteinen in Melde sagt, dass „die entscheidende Idee war, mehrere akustische
nur einem Schritt ein 3D-Objekt formt. Hologramme zusammen zu verwenden und so ein Schallfeld zu
„Mit zielgerichtetem und geformten Ultraschall konnten wir bilden, das die Partikel einfangen kann“. Heiner Kremer, der den
kleinste Partikel in einem einzigen Schritt zu einem dreidimensi- Algorithmus zur Optimierung der Hologrammfelder geschrie-
onalen Objekt zusammenfügen“, sagt Kai Melde, Postdoc in der ben hat, ergänzt: „Die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts
Gruppe und Erstautor der Studie. „Das kann für das sogenannte in Ultraschall-Hologrammfelder ist sehr rechenintensiv und
Bioprinting sehr nützlich sein. Die dort verwendeten Zellen sind erforderte neue Rechenroutinen.“
besonders empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und Ultra- Die Wissenschaftler*innen glauben, dass ihre Technologie für
schall ist eine sanfte Methode“, ergänzt Peer Fischer, Professor an die Bildung von Zellkulturen und Geweben in 3D einen großen
der Universität Heidelberg. Fortschritt bedeutet. Der Vorteil des Ultraschalls besteht darin,
Schallwellen üben Kräfte auf Materie aus – eine Tatsache, die dass er schonend für Zellen ist und tief in das Gewebe eindringen
jeder Konzertbesucher kennt, der die Druckwellen eines Laut- kann. So kann die neue Methode verwendet werden, um Zellen
sprechers erlebt. Mit hochfrequentem Ultraschall, der für das ohne Schaden auch aus der Ferne zu manipulieren.
menschliche Ohr nicht hörbar ist, können die Wellenlängen
unter einen Millimeter in den mikroskopischen Bereich verscho- Die Ergebnisse der Studie wurden in Science Advances veröf-
ben werden, mit dem Forschende sehr kleine Bausteine wie biolo- fentlicht. Originalpublikation:
gische Zellen manipulieren. Compact Holographic Sound Fields Enable Rapid One-step
In früheren Studien zeigten Peer Fischer und Kolleg*innen, Assembly of Matter in 3D” K. Melde, H. Kremer, M Shi, S.
wie Ultraschall mithilfe von akustischen Hologrammen – Seneca, C. Frey, I. Platzman, C. Degel, D. Schmitt, B. Schölkopf,
3D-gedruckten Platten, die ein bestimmtes Schallfeld kodieren P. Fischer. Science Advances 9(6) 2023
sollen – erzeugt werden kann. Sie demonstrierten, dass diese DOI: 10.1126/sciadv.adf6182
Schallfelder verwendet werden können, um Materialien zu zwei- Quelle: Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
dimensionalen Mustern zusammenzusetzen.
Mit ihrer neuen Studie konnte das Team die Idee noch einen
Schritt weiterbringen. In den Schallfeldern fangen sie frei im

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