Científicos del Instituto Max Planck de Investigación Médica y la Universidad de Heidelberg han creado una nueva tecnología para ensamblar materia en 3D. Su concepto utiliza múltiples hologramas acústicos para generar campos de presión con los que se pueden imprimir partículas sólidas, perlas de gel e incluso células biológicas. Estos resultados allanan el camino para nuevas técnicas de cultivo celular en 3D con aplicaciones en ingeniería biomédica.
La fabricación aditiva o la impresión 3D permite la fabricación de piezas complejas a partir de materiales funcionales o biológicos. La impresión 3D convencional puede ser un proceso lento, donde los objetos se construyen una línea o una capa a la vez. Investigadores en Heidelberg y Tübingen ahora demuestran cómo formar un objeto 3D a partir de bloques de construcción más pequeños en un solo paso. « Pudimos ensamblar micropartículas en un objeto tridimensional dentro de un solo disparo usando ultrasonido en forma », dice Kai Melde, posdoctorado en el grupo y primer autor del estudio. « Esto puede ser muy útil para la bioimpresión. Las células utilizadas allí son especialmente sensibles al medio ambiente durante el proceso », añade Peer Fischer, profesor de la Universidad de Heidelberg.
Las ondas sonoras ejercen fuerzas sobre la materia, un hecho conocido por cualquier asistente a un concierto que experimente las ondas de presión de un altavoz. Usando ultrasonido de alta frecuencia, que es inaudible para el oído humano, las longitudes de onda pueden empujarse por debajo de un milímetro hacia el reino microscópico, que el investigador usa para manipular bloques de construcción muy pequeños, como células biológicas.
En sus estudios anteriores, Peer Fischer y sus colegas mostraron cómo formar ultrasonido utilizando hologramas acústicos, placas impresas en 3D, que están hechas para codificar un campo de sonido específico. Esos campos de sonido, demostraron, pueden usarse para ensamblar materiales en patrones bidimensionales. Basándose en esto, los científicos idearon un concepto de fabricación.
El campo acústico atrapa partículas
Con su nuevo estudio, el equipo pudo llevar su concepto un paso más allá. Capturan partículas y células que flotan libremente en el agua y las ensamblan en formas tridimensionales. Además de eso, el nuevo método funciona con una variedad de materiales que incluyen perlas de vidrio o hidrogel y células biológicas. El primer autor Kai Melde dice que « la idea crucial era usar múltiples hologramas acústicos juntos y formar un campo combinado que pudiera atrapar las partículas ». Heiner Kremer, quien escribió el algoritmo para optimizar los campos de hologramas, agrega : « La digitalización de un objeto 3D completo en campos de hologramas de ultrasonido es computacionalmente muy exigente y nos obligó a crear una nueva rutina de cálculo ».
Los científicos creen que su tecnología es una plataforma prometedora para la formación de cultivos celulares y tejidos en 3D. La ventaja del ultrasonido es que es suave para el uso de células biológicas y que puede penetrar profundamente en el tejido. De esta manera, se puede usar para manipular y empujar células de forma remota sin daño.