Группа исследователей из Университета Бата и Университета Бристоля разработала новую технику трехмерной биопечати, в которой используется акустическая энергия.
Сонолитография, как её называют, использует управляемые компьютером ультразвуковые волны для точного осаждения частиц и капель в виде заданных узоров на подложке. Возможность контролировать распыление аэрозолей бесконтактным образом позволяет использовать целый ряд приложений для биотехнологии и тканевой инженерии, а также для комплексной доставки лекарств и даже для заживления ран.
Дженна Шапиро, ведущий автор исследования, поясняет: «Сонолитография позволяет бережно, бесконтактно и быстро формировать паттерн клеток и биоматериалов на поверхностях. В тканевой инженерии можно использовать методы биотехнологии для создания определенных структур клеток и материалов. Мы добавляем новую технику в инструментарий биотехнологического производства».
Использование ультразвука в манипуляциях с микрочастицами не является новой концепцией, и ранее было показано, что этот метод левитирует небольшие объекты со стабильными результатами. Эта технология широко применяется в спектроскопии, при которой жидкости характеризуются на основе длин волн света, которые они поглощают и отражают.
Взяв в качестве примера каплю крови, характеризуя образец на твердом субстрате, то без сомнения, результаты будут искажены из-за смешения света как от крови, так и от нижележащего субстрата. В таком случае левитация может изолировать кровь, обеспечивая более точный результат за счет устранения нежелательного «шума».
Британские ученые пошли еще дальше, добавив элемент направленности к функции левитации. Наложив несколько ультразвуковых стоячих волн, команда смогла создать контролируемые силы акустического излучения, чтобы направить воздушные капли в места с точными координатами.
Команда успешно продемонстрировала сонолитографию в диапазоне от 5 до 20 микрон (размер частиц) - масштабе, в котором даже самые сложные методы физической сортировки не справятся. Этот подход также обеспечивает большую гибкость материала, как в отношении отложений, так и нижележащего субстрата. Было обнаружено, что, помимо обычных аэрозолей, сонолитография совместима с красками-маркерами, песком, белками и даже целыми клетками млекопитающих.
Исследовательская группа Шапиро намерена и дальше развивать процесс, вводя в процесс динамическое управление, что позволит управлять акустическим полем в реальном времени. В контексте биопроизводства это позволит производить и модифицировать уникальные микроархитектуры биоматериалов «на лету». Команда также заявила, что трехмерная биопечать мягких тканей млекопитающих для моделирования и регенеративной медицины представляет для них особый интерес.
Выходя за рамки биологических приложений, сонолитография может также найти применение в печати электроники с использованием проводящих наночастиц для соединений схем. В области промышленных процессов эта технология может также обеспечить прецизионную окраску и нанесение покрытий распылением.
Более подробные сведения об исследовании можно найти в статье «Сонолитография: ультразвуковое управление частицами и каплями в воздухе для создания многомасштабного рисунка поверхности».
Ультразвуковые волны оказались очень полезным универсальным инструментом во многих областях 3D-печати. В конце прошлого года биотехнологическая компания mimiX Biotherapeutics объявила о запуске собственного акустического биопринтера под названием cymatiX. Подобно устройству Bristol, cymatiX использует ультразвуковые волны для формирования и конденсации живых клеток посредством резонанса, что позволяет пользователям «управлять жизнью со звуком».
В промышленной сфере ультразвук также используется для постобработки. Еще в 2020 году производитель автоматизированных систем послепечатной печати PostProcess Technologies объявил о запуске Variable Acoustic Displacement (VAD), пятого семейства технологий компании. VAD использует акустическую энергию для неразрушающего удаления рыхлого порошка с полимерных деталей, напечатанных на 3D-принтере.