Onderzoekers van de Universiteit van Harvard hebben een nieuwe printmethode ontwikkeld die gebruik maakt van geluidsgolven om druppels te genereren uit vloeistoffen met een ongekend bereik in samenstelling en viscositeit. Deze techniek zou uiteindelijk de productie van veel nieuwe biofarmaceutica mogelijk kunnen maken, cosmetica, en voeding en de mogelijkheden van optische en geleidende materialen uitbreiden.

"Door gebruik te maken van akoestische krachten, we hebben een nieuwe technologie ontwikkeld waarmee talloze materialen drop-on-demand kunnen worden afgedrukt, " zei Jennifer Lewis, de Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences en de senior auteur van het artikel.

Lewis is ook een kernfaculteitslid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en de Jianming Yu Professor of Arts and Sciences aan Harvard.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Vloeibare druppeltjes worden in veel toepassingen gebruikt, van drukinkt op papier tot het maken van microcapsules voor medicijnafgifte. Inkjetprinten is de meest gebruikte techniek om vloeistofdruppels te modelleren, maar het is alleen geschikt voor vloeistoffen die ongeveer 10 keer viskeuzer zijn dan water. Toch zijn veel vloeistoffen die van belang zijn voor onderzoekers veel stroperiger. Bijvoorbeeld, biopolymeer en celbeladen oplossingen, die van vitaal belang zijn voor biofarmaceutica en bioprinting, zijn minstens 100 keer viskeuzer dan water. Sommige biopolymeren op basis van suiker kunnen zo stroperig zijn als honing, dat is 25, 000 keer viskeuzer dan water.

De viscositeit van deze vloeistoffen verandert ook dramatisch met temperatuur en samenstelling, maakt het nog moeilijker om de afdrukparameters te optimaliseren om de druppelgroottes te regelen.

"Ons doel was om de viscositeit uit het beeld te halen door een printsysteem te ontwikkelen dat onafhankelijk is van de materiaaleigenschappen van de vloeistof, " zei Daniele Foresti, eerste auteur van het artikel, de Branco Weiss Fellow en Research Associate in Materials Science and Mechanical Engineering bij SEAS en het Wyss Institute.

Om dat te doen, de onderzoekers wendden zich tot akoestische golven.

Dankzij de zwaartekracht, elke vloeistof kan druppelen - van water dat uit een kraan druppelt tot het eeuwenlange pitch-drop-experiment. Met de zwaartekracht alleen, druppelgrootte blijft groot en druppelsnelheid moeilijk te controleren. Toonhoogte, die een viscositeit heeft van ongeveer 200 miljard keer die van water, vormt een enkele druppel per decennium.

Om druppelvorming te verbeteren, het onderzoeksteam vertrouwt op het genereren van geluidsgolven. Deze drukgolven zijn typisch gebruikt om de zwaartekracht te trotseren, zoals in het geval van akoestische levitatie. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers gebruiken ze om de zwaartekracht te ondersteunen, nasynchronisatie van deze nieuwe techniek akoestisch printen.

De onderzoekers bouwden een subgolflengte akoestische resonator die een zeer beperkt akoestisch veld kan genereren, wat resulteert in een trekkracht van meer dan 100 keer de normale zwaartekracht (1 G) aan de punt van de printerspuitmond - dat is meer dan vier keer de zwaartekracht op het oppervlak van de zon.

Deze regelbare kracht trekt elke druppel van het mondstuk wanneer deze een specifieke grootte bereikt en werpt deze uit naar het afdrukdoel. Hoe hoger de amplitude van de geluidsgolven, hoe kleiner de druppelgrootte, ongeacht de viscositeit van de vloeistof.

"Het idee is om een ​​akoestisch veld te genereren dat letterlijk kleine druppeltjes losmaakt van het mondstuk, net als appels plukken van een boom, ' zei Foresti.

De onderzoekers testten het proces op een breed scala aan materialen, van honing tot stamcelinkten, biopolymeren, optische harsen en, ook al, vloeibare metalen. belangrijk, geluidsgolven reizen niet door de druppel, waardoor de methode veilig kan worden gebruikt, zelfs met gevoelige biologische lading, zoals levende cellen of eiwitten.

"Onze technologie moet een onmiddellijke impact hebben op de farmaceutische industrie, "zei Lewis. "Echter, we geloven dat dit een belangrijk platform zal worden voor meerdere industrieën."

"Dit is een voortreffelijk en indrukwekkend voorbeeld van de breedte en reikwijdte van gezamenlijk onderzoek, " zei Dan Finotello, directeur van het MRSEC-programma van NSF. "De auteurs hebben een nieuw printplatform ontwikkeld met behulp van akoestische krachten, die, in tegenstelling tot andere methoden, zijn materiaalonafhankelijk en bieden dus een enorme printveelzijdigheid. De toepassingsruimte is onbeperkt."