Udskrivning med lyd:Forskere bruger akustiske kræfter til at udskrive dråber, der ikke kunne udskrives før

Forskere fra Harvard University har udviklet en ny printmetode, der bruger lydbølger til at generere dråber fra væsker med et hidtil uset udvalg af sammensætning og viskositet. Denne teknik kunne endelig muliggøre fremstilling af mange nye biofarmaceutiske produkter, kosmetik, og mad og udvide mulighederne for optiske og ledende materialer.

"Ved at udnytte akustiske kræfter, vi har skabt en ny teknologi, der gør det muligt at printe utallige materialer på en drop-on-demand måde, " sagde Jennifer Lewis, Hansjorg Wyss-professoren i biologisk inspireret ingeniørvidenskab ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences og avisens seniorforfatter.

Lewis er også et kernefakultetsmedlem ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Jianming Yu professor i kunst og videnskab ved Harvard.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt .

Flydende dråber bruges i mange applikationer fra trykfarve på papir til fremstilling af mikrokapsler til lægemiddellevering. Inkjet-print er den mest almindelige teknik, der bruges til at mønstre væskedråber, men det er kun egnet til væsker, der er omkring 10 gange mere tyktflydende end vand. Alligevel er mange væsker af interesse for forskere langt mere tyktflydende. For eksempel, biopolymer og cellefyldte opløsninger, som er afgørende for biofarmaceutiske produkter og bioprint, er mindst 100 gange mere tyktflydende end vand. Nogle sukkerbaserede biopolymerer kunne være lige så tyktflydende som honning, hvilket er 25, 000 gange mere tyktflydende end vand.

Viskositeten af ​​disse væsker ændrer sig også dramatisk med temperatur og sammensætning, gør det endnu sværere at optimere udskrivningsparametre for at kontrollere dråbestørrelser.

"Vores mål var at tage viskositeten ud af billedet ved at udvikle et printsystem, der er uafhængigt af væskens materialeegenskaber, " sagde Daniele Foresti, avisens første forfatter, Branco Weiss Fellow og Research Associate in Materials Science and Mechanical Engineering ved SEAS og Wyss Institute.

At gøre det, forskerne vendte sig mod akustiske bølger.

Takket være tyngdekraften, enhver væske kan dryppe - fra vand, der drypper ud af en vandhane, til det århundrede lange pitch drop-eksperiment. Med tyngdekraften alene, dråbestørrelsen forbliver stor, og dråbehastigheden er svær at kontrollere. Tonehøjde, som har en viskositet på omkring 200 milliarder gange vands, danner en enkelt dråbe pr. årti.

For at forbedre dråbedannelsen, forskerholdet er afhængig af at generere lydbølger. Disse trykbølger er typisk blevet brugt til at trodse tyngdekraften, som ved akustisk levitation. Nu, forskerne bruger dem til at hjælpe tyngdekraften, dubbing denne nye teknik akustoforetisk udskrivning.

Forskerne byggede en subbølgelængde akustisk resonator, der kan generere et meget begrænset akustisk felt, hvilket resulterer i en trækkraft, der overstiger 100 gange de normale gravitationskræfter (1 G) ved spidsen af ​​printerdysen - det er mere end fire gange tyngdekraften på overfladen af solen.

Denne kontrollerbare kraft trækker hver dråbe ud af dysen, når den når en bestemt størrelse, og skubber den ud mod printmålet. Jo højere amplitude af lydbølgerne, jo mindre dråbestørrelsen er, uanset væskens viskositet.

"Ideen er at generere et akustisk felt, der bogstaveligt talt fjerner små dråber fra dysen, meget som at plukke æbler fra et træ, " sagde Foresti.

Forskerne testede processen på en bred vifte af materialer fra honning til stamcelleblæk, biopolymerer, optiske harpikser og, også selvom, flydende metaller. Vigtigt, lydbølger bevæger sig ikke gennem dråben, gør metoden sikker at bruge selv med følsom biologisk last, såsom levende celler eller proteiner.

"Vores teknologi burde have en øjeblikkelig indvirkning på medicinalindustrien, " sagde Lewis. "Men, Vi tror på, at dette vil blive en vigtig platform for flere industrier."

"Dette er et udsøgt og effektfuldt eksempel på bredden og rækkevidden af ​​kollaborativ forskning, " sagde Dan Finotello, direktør for NSF's MRSEC-program. "Forfatterne har udviklet en ny printplatform ved hjælp af akustiske kræfter, hvilken, i modsætning til andre metoder, er materialeuafhængige og tilbyder derfor en enorm alsidighed til udskrivning. Ansøgningspladsen er ubegrænset."