Schallwellen 3D-Druck ermöglicht eröffnet neue Möglichkeiten in der Medizin

Forscher der Universität Concordia entwickelten eine neue Plattformtechnologie, welche Ultraschallwellen verwendet, um komplexe und präzise Objekte zu erstellen. Den Forschern ist es gelungen, mithilfe von Schall Flüssigkeit in Kunststoff zu verfestigen. Dieser Schallwellen 3D-Druck könnte es also in Zukunft ermöglichen, Implantate direkt im Körper anzufertigen.

Bei diesem Ansatz der additiven Fertigung, welcher Direct Sound Printing (DSP) genannt wird, werden ultrahochfrequente Schallwellen nur eine Billionstel Sekunde auf einem Punkt aus flüssigem harz konzentriert. Diese kurze aber kraftvolle Konzentration verursacht die Bildung einer winzigen Blase, welche wiederum genug Energie hat, um eine chemische Reaktion auszulösen, welche da Harz verfestigt. Die meisten derzeit eingesetzten 3D-Druckverfahren basieren entweder auf Photo- (Licht-) oder Thermo- (Hitze-) aktivierten Reaktionen, welche dann eine präzise Manipulation von Polymeren erreichen. Diese neu entwickelte Schallwellen 3D-Druck Methode könnte daher eine dritte Option zur Herstellung neuer Objekte bieten. Professor Muthukumaran Packirisamy, der korrespondierende Autor des Forschungsberichtes, äußerte sich folgendermaßen zum Schallwellen 3D-Druck:

„Ultraschallfrequenzen werden bereits in destruktiven Verfahren wie der Laserablation von Gewebe und Tumoren eingesetzt. Wir wollten sie nutzen, um etwas zu erschaffen“

Was ist Schallwellen 3D-Druck?

DSP beruht auf chemischen Reaktionen, welche durch Druckschwankungen in winzigen Blasen entstehen, die in einer flüssigen Polymerlösung schweben. Die Forscher fanden heraus, dass sie, wenn sie eine bestimmte Art von Ultraschall mit einer bestimmten Frequenz und Leistung verwenden, sehr lokale, sehr fokussierte chemisch reaktive Regionen erzeugen können. Die Reaktionen, welche durch Ultraschallwellen-gesteuerte Schwingungen in den mikrogroßen Bläschen verursacht werden, sind intensiv, obwohl sie nur Pikosekunden dauern. Dort erreichen die Temperaturen einen Druck, der etwa das 1.000-fache des Luftdrucks auf Meereshöhe und etwa 15000 Grad Celsius beträgt. Die Reaktionszeit ist dabei so kurz, dass das umliegende Material durch die so verursachten hohen Temperaturen nicht beeinträchtigt wird.

Die Forscher der Universität Concordia experimentierten mit einem Polymer namens Polydimethylsiloxan (PDMS), welches bereits in der additiven Fertigung verwendet wird. Mithilfe eines Wandlers wurde ein Ultraschallfeld erzeugt, welches den Körper  durchdringt und so gezielt flüssiges Harz verfestigen und so auf einer Plattfom oder einem anderen zuvor verfestigten Objekt ablagert. Der Wandler bewegt sich entlang eines zuvor festgelegten Weges und erzeugt so Pixel für Pixel das gewünschte Objekt.

Schallwellen 3D-Druck könnte neue, zuvor ungeahnte Möglichkeiten in der additiven Fertigung bieten. Schall kann in feste Körper oder Geräte eindringen, was die Möglichkeit bietet, Implantate direkt im Körper herzustellen, anstatt außerhalb hergestellte Implantate chirurgisch einzusetzen. So sagt Forscher Mohsen Habib, dass DSP die Möglichkeit des nichtinvasiven Druckens tief im Inneren des Körpers einführe.

Grafische Darstellung des Verfahrens (Bild: Nature Communications)

Vielseitige Anwendungsbereiche

Die Vielseitigkeit dieses Schallwellen 3D-Druck Verfahrens könnte Branchen zugute kommen, die auf hochspezifische und empfindliche Geräte angewiesen sind. So könnte DSP etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik und -reparatur eingesetzt werden, da Ultraschallwellen undurchsichtige Oberflächen wie Metallhüllen durchdringen. Dies könnte es Wartungsteams ermöglichen, Teile zu warten, die sich tief im Rumpf eines Flugzeugs befinden und auf anderen Wegen schwer zu erreichen sind. DSP könnte auch in der medizinische Anwendung finden und für das Drucken von Implantaten oder ähnlichem im Körper von Menschen und anderen Tieren eingesetzt werden. Im folgenden Video erfahren Sie mehr zu dem Thema.

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