トップジャーナル Science Advances: 音波を使って複雑な幾何学的 3D 形状を一度に形成する

はじめに:音波は物質と相互作用するときに力を発生させます。したがって、超音波場を 3 次元で正確に形成することで、制御された力と材料が落ちる場所を制御する能力が得られ、層ごとに構築することなく、3 次元オブジェクト全体を一度に構築できるようになります。これにより、3D 印刷、特にバイオ製造が高速化されます。従来の方法は時間がかかることが多く、生物細胞に機械的または化学的ストレスを与えるためです。

2023年2月、アンタークティックベアは、マックスプランク医学研究所とハイデルベルク大学の研究者が「コンパクトなホログラフィック音場により、3Dでの物質の迅速なワンステップ組み立てが可能に」というタイトルの記事をサイエンスアドバンス誌に発表したことを知りました。この研究では、製造、非接触印刷、音波の制御による複雑な幾何学的 3D 形状の作成に音波を使用しました。

この研究では、研究者らはコンパクトなホログラフィック超音波場の生成を実現し、音響力を用いた物質のワンステップ組み立てを実証した。彼らは複数のホログラフィックフィールドを組み合わせて、標準的な実験容器内で固体微粒子、ハイドロゲルビーズ、生物細胞の非接触組み立てを実現しました。これらの構造は周囲の媒体のゲル化によって固定化することができます。これまでの研究とは対照的に、このアプローチでは、反対の波、支持面、またはサポートは必要ありません。研究者らは、ホログラフィック超音波場は組織工学や付加製造において幅広い応用の可能性があると述べた。

△コンパクトな音響3次元圧力画像形成のコンセプト

研究の筆頭著者であるカイ・メルデ氏によると、超音波は細胞に優しく無毒であり、接触のない遠隔組み立ては無菌状態を維持し、細胞を生き続けるのに役立つため、この技術を生物細胞の組み立てに使用することは大きな可能性があるという。「これまでの活性組織を印刷する方法は、時間がかかり、生物細胞に機械的または化学的ストレスを与えるため、理想的ではありませんでした。そのため、研究者は粒子を組み立てるさまざまな非接触方法を積極的に模索し、さまざまな場を研究しました。光、磁気ピンセット、電場を研究した後、最終的に音響場を選択しました。

△超音波を利用してシリカ微粒子を3次元の指定ポイントに捕捉します。

コンサートのステージに立ったことがある人なら、音が物質に影響を及ぼすことをご存知でしょう。スピーカーから鳴り響く音は身体に力を与え、息が止まってしまうほどの強さになることもあります。メルデ氏のチームが研究を始める前から、研究室では超音波音場によってすでに小さな物質片を単純な方法で操作し、粒子を一点の周りに配置したり、直線上に並べたりすることができていた。研究者たちは、ホログラムを使って3D空間で物体を形作ることを考えたとき、ひらめきを得た。しかし、ホログラムは光ではなく超音波で作られています。音波は、実際の接触なしに物質を形作る目に見えない手であると考えてください。これらのサウンドホログラムは、実質的には、望むあらゆる形状に作ることができる型です。

これはかなり複雑な研究だとメルデ氏は説明する。メルデ氏によると、3D 形状を作成するには、互いに重ね合わされ相互作用する複数のホログラフィックフィールドを使用する必要があります。ホログラムの形状を計算するために必要なアルゴリズムは非常に複雑で、多くの計算能力を必要とします。「3D コンピューティングの問題の 1 つは、3 次元で作業する場合にメモリ要件が急速に増加し、さらに、波動場をボリューム全体に対して計算する必要があり、最適化プロセスを通じてこのプロセスを何度も繰り返す必要があることです。」

この計算上の課題に対処するために、彼らは、リアルで複雑な 3D 世界をレンダリングするために使用されるゲームカードのプロセッサである GPU アクセラレーションと、最も人気のある機械学習および人工知能ソフトウェアである Google の TensorFlow を活用しました。「3D オブジェクト全体を超音波ホログラムフィールドとしてデジタル化するには、計算負荷が非常に高く、まったく新しいアルゴリズムが必要です」とチームメンバーの Heiner Kremer 氏は言います。

計算が完了したら、オブジェクトを「印刷」します。これは比較的簡単なプロセスです。同社が独自に開発した機械は、実験皿に超音波を照射し、液体に浮遊した生物細胞（または実際にはあらゆる微細物質）を形作り、細胞に栄養を与えて生存を維持します。驚くべきは、これは長い時間を要する従来の 3D 印刷プロセスではなく、単一のステップ、つまりワンショット成形であるということです。

メルデの実験の最大サイズは、長さ約 20 mm、直径約 10 mm の二重らせん構造です。小指の骨よりわずかに大きい程度で小さいように見えますが、これは臓器印刷への第一歩となる可能性があるため、すでに非常に困難です。

オリジナルリンク: DOI: 10.1126/sciadv.adf6182

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