Công nghệ mới lắp ráp vật chất ở dạng 3D

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Hệ thống Vi mô, Nano và Phân tử tại Viện Nghiên cứu Y khoa Max Planck và Viện Kỹ thuật Hệ thống Phân tử và Vật liệu Tiên tiến tại Đại học Heidelberg đã tạo ra một công nghệ mới lắp ráp vật chất ở dạng 3D. Khái niệm của họ sử dụng kỹ thuật multiple acoustic holograms để tạo ra các trường áp suất có thể in được các hạt rắn, hạt gel và thậm chí cả tế bào sinh học.

Những kết quả này mở đường cho các kỹ thuật nuôi cấy tế bào 3D mới với các ứng dụng trong kỹ thuật y sinh. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.

Sản xuất phụ gia hoặc in 3D cho phép chế tạo các bộ phận phức tạp từ vật liệu chức năng hoặc sinh học. In 3D thông thường có thể là một quy trình chậm, trong đó các đối tượng được tạo thành một dòng hoặc một lớp tại một thời điểm. Các nhà nghiên cứu ở Heidelberg và Tübingen hiện đang chứng minh cách tạo ra một đối tượng 3D từ các khối kiến tạo cỡ nhỏ hơn chỉ trong một bước đơn giản.

Kai Melde, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi có thể lắp ráp các vi hạt thành một vật thể ba chiều chỉ một lần bấm bằng siêu âm định hình”. Peer Fischer, giáo sư tại Đại học Heidelberg cho biết thêm: “Điều này có thể rất hữu ích cho việc in sinh học bởi các tế bào đặc biệt nhạy cảm với môi trường trong quá trình này”.

Sóng âm thanh tác dụng lực lên vật chất-một thực tế mà bất kỳ người đi xem hòa nhạc nào cũng biết khi trải nghiệm sóng áp suất từ loa phóng thanh. Sử dụng siêu âm tần số cao mà tai người không nghe được, các bước sóng có thể được đẩy xuống dưới một milimet vào phạm vi vi mô, được nhà nghiên cứu sử dụng để thao tác các khối kiến tạo rất nhỏ, như tế bào sinh học.

Trong các nghiên cứu trước đây của họ, Peer Fischer và các đồng nghiệp đã chỉ ra cách tạo ra siêu âm bằng cách sử dụng acoustic holograms - các tấm in 3D, được tạo ra để mã hóa một trường âm thanh cụ thể. Họ đã chứng minh rằng những trường âm thanh đó có thể được sử dụng để lắp ráp các vật liệu thành các mẫu hai chiều. Dựa trên điều này, các nhà khoa học đã nghĩ ra một khái niệm chế tạo.

Với nghiên cứu mới của họ, nhóm đã có thể đưa khái niệm của họ tiến thêm một bước. Bắt giữ các hạt và tế bào trôi nổi tự do trong nước và lắp ráp chúng thành các hình dạng ba chiều. Ngoài ra, phương pháp mới này hoạt động với nhiều loại vật liệu bao gồm hạt thủy tinh hoặc hydrogel và tế bào sinh học.

Kai Melde nói rằng ý tưởng quan trọng là nhiều acoustic holograms cùng nhau và tạo thành một trường kết hợp có thể bắt các hạt. Heiner Kremer, người viết thuật toán để tối ưu hóa các trường hologram, cho biết thêm: “Việc số hóa toàn bộ vật thể 3D thành các trường hologram siêu âm đòi hỏi tính toán rất cao và yêu cầu chúng tôi đưa ra một quy trình tính toán mới”.

Các nhà khoa học tin rằng công nghệ của họ là một nền tảng đầy hứa hẹn cho việc hình thành các mô và tế bào nuôi cấy ở dạng 3D. Ưu điểm của siêu âm là nó đủ nhẹ nhàng đối với các tế bào sinh học và nó có thể đi sâu vào mô. Bằng cách này, có thể sử dụng để thao tác và đẩy các tế bào từ xa mà không gây hại.