Cambridge-ingenieurs hebben voor het eerst het digitale inkjetprinten en de zelforganisatie van microdruppels op vloeibare oppervlakken gedemonstreerd om structuren van functionele materialen te creëren.

Deze gedrukte druppels worden van nature gevangen op het vloeistofoppervlak. Het is op dit punt dat ze worden opgevangen terwijl de vloeistof rond de druppels stolt tot een vaste polymeerfilm. Geïnspireerd door de condensatiepatronen die zich op oppervlakken vormen, deze baanbrekende, eenvoudig te vervaardigen methode maakt de weg vrij voor de opschaling van toekomstige toepassingen in de ontdekking van geneesmiddelen en gedrukte gepersonaliseerde levering van geneesmiddelen.

Het onderzoeksteam Fluids in Advanced Manufacturing van het Institute for Manufacturing (IfM), onderdeel van de afdeling Engineering, kijken naar het gebruik van de druppels als reageerbuisjes op microschaal voor reacties. Ze hopen dat de miljoenen druppels, geschikt om op een klein oppervlak te passen, kan worden gebruikt om reacties op het ontdekken van geneesmiddelen te versnellen. Het team zal dit verder onderzoeken in werk dat wordt gefinancierd door BBSRC-Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Verder, het team onderzoekt het gebruik van het opvangen en vrijgeven van de druppeltjes voor behandeling op maat van wonden. In nauwe samenwerking met de BBSRC Impact Acceleration Account en de spin-out van de University of Cambridge, LIFNano Rx Limited, die kwantumbiologie gebruikt om de helende eigenschappen van de stamcelgroeifactor "LIF" vast te leggen, het team denkt aan gedrukte producten met de potentiële waarde om wondgenezing te transformeren.

Polymeerfilms met instelbare poriën zijn essentieel als het gaat om ontwerpen voor toepassingen zoals de gecontroleerde afgifte van medicijnen. Een voorbeeld is het afleveren van een gepersonaliseerde combinatiedosering via een pleister of een oplosbaar folie op de tong. Nu hebben de onderzoekers deze geavanceerde druktechniek gecombineerd met de principes van een op de natuur geïnspireerde methode, om een ​​produceerbare manier te bieden om functionaliteit te leveren aan poreuze polymeerfilms. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de tijdschriften Materials Horizons en het International Journal of Pharmaceutics.

Natuurlijke watercondensatiepatronen die elke dag worden gezien op vaste oppervlakken, en die in 1911 door Lord Rayleigh werden bestudeerd, worden vaak 'Breath Figures (BF's)' genoemd. Sinds de jaren 1990, het is bekend dat deze BF's kunnen voorkomen als waterdruppels op micronschaal op een vloeibaar oppervlak, met het vermogen om zichzelf te organiseren en in te drukken in een permanente microporeuze polymeerstructuur. Hierdoor geïnspireerd, het onderzoeksteam van Cambridge heeft drop-on-demand (DoD) inkjetprinten gebruikt om de grootte van druppels te regelen, de inhoud en locatie op het vloeistofoppervlak. In vergelijking met de BF-methode, dit nieuwe proces zorgt voor verbeterde stabiliteit, met uitstekende controle over porievolume en structuur, en maakt een snelle productie mogelijk van functionele, gestructureerde polymeerfilms, toepassingen haalbaar en schaalbaar maken.

Het inkjetprintproces is zeer programmeerbaar, met de druppelgrootte en het patroon van de druppels die aan het substraat worden afgeleverd, gemakkelijk te regelen. De inhoud van de druppels kan worden samengesteld om een ​​breed scala aan functionele materialen te bevatten en toch betrouwbaar te printen. Dit kan onder meer farmaceutisch en biologisch printen zijn. Elke druppel is grotendeels ondergedompeld en gevangen in de vloeistof, maar met een kleine opening naar buiten. Bij de eerste aanvraag voor het ontdekken van medicijnen, hierdoor kunnen volgende druppels worden toegevoegd en gemengd met druppels die al op het oppervlak zijn, alsof het reageerbuizen op microschaal waren. In de tweede aanvraag door deze kleine opening kan materiaal door diffusie worden vrijgegeven. Hierdoor konden onderzoekers Dr. Qingxin Zhang en Dr. Niamh Willis-Fox elke stap van het proces onderzoeken:afdrukken, vangen en loslaten. Dr. Clare Conboy, van Printed Electronics Ltd., heeft ook bijgedragen met expertise en metingen van het gedrag van vloeistoffen wanneer ze beginnen te stollen en de druppeltjes opsluiten.

Om de nauwkeurigheid van de druppelpositionering te verbeteren, zelforganisatie werd verkend als een manier om de druppels dichter bij elkaar te brengen. Dit blijkt een zeer betrouwbare en herhaalbare manier te zijn om een ​​bijna perfecte druppelverpakking te garanderen en het team heeft laten zien hoe de druppels in vierkante arrays of als een zeshoekige honingraatachtige structuur kunnen worden opgevangen.

Dr. Ronan Daly, hoofddocent in de Science and Technology of Manufacturing, zei:"Dit niveau van controle en orde is nooit bereikt met de alternatieve zelforganisatietechnieken voor Breath Figure-druppels. We hebben ook een verschuiving naar veiliger, milieuverantwoorde fabricage van deze constructies. Het resultaat is een goedkope en aanpasbare techniek die aanzienlijk meer herhaalbaar en afstembaar is geworden, en een die de weg vrijmaakt voor snelle vertaling naar toepassingen in combinatie van medicijnafgifte en medicijnontdekkingstechnieken."

Dr. Su Metcalfe, CEO van LIFNanoRx, zei:"De gecombineerde krachten van gedrukte gepersonaliseerde levering samen met de kwantumbiologie van biomimetica, brengen een nieuw tijdperk van duurzame en universele therapieën tegen lage kosten en hoge waarde."