Cambridge-ingenjörer har för första gången demonstrerat digital bläckstråleutskrift och självorganisering av mikrodroppar på flytande ytor för att skapa strukturer av funktionella material.

Dessa tryckta droppar fångas naturligt vid vätskeytan. Det är vid denna punkt som de fångas upp när vätskan stelnar runt dropparna till en fast polymerfilm. Inspirerad av kondensmönstren som bildas på ytor, denna banbrytande metod som är lätt att tillverka banar väg för uppskalning av framtida tillämpningar inom läkemedelsupptäckt och tryckt personlig läkemedelsleverans.

Forskningsteamet Fluids in Advanced Manufacturing från Institute for Manufacturing (IfM), en del av Institutionen för teknik, tittar på att använda dropparna som provrör i mikroskala för reaktioner. De hoppas att miljontals droppar, kan passa på en liten yta, kan användas för att påskynda läkemedelsupptäckningsreaktioner. Teamet kommer att undersöka detta ytterligare i arbete finansierat av BBSRC—Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Vidare, teamet undersöker användningen av att fånga upp och släppa dropparna för skräddarsydd behandling av sår. I nära samarbete med BBSRC Impact Acceleration Account och University of Cambridge spin-out LIFNano Rx Limited, som använder kvantbiologi för att fånga de läkande egenskaperna hos stamcellstillväxtfaktorn "LIF", teamet föreställer sig tryckta produkter med potentiellt värde för att förändra sårläkning.

Polymerfilmer med justerbara porer är viktiga när det gäller design för applikationer som kontrollerad frisättning av läkemedel. Ett exempel inkluderar leverans av en personlig kombinationsdos via ett plåster eller en upplösbar film placerad på tungan. Nu har forskarna kombinerat denna avancerade tryckteknik med principerna för en naturinspirerad metod, att tillhandahålla ett tillverkbart sätt att leverera funktionalitet till porösa polymerfilmer. Resultaten av studien publiceras i tidskrifterna Materials Horizons och International Journal of Pharmaceutics.

Naturliga vattenkondensmönster som ses varje dag på fasta ytor, och som studerades av Lord Rayleigh 1911, kallas ofta "Breath Figures (BFs)". Sedan 1990-talet, det har varit känt att dessa BF kan förekomma som vattendroppar i mikronskala på en vätskeyta, med förmågan att självorganisera och trycka in i en permanent mikroporös polymerstruktur. Inspirerad av detta, Cambridge forskarteam har använt drop-on-demand (DoD) bläckstråleutskrift för att kontrollera storleken på dropparna, dess innehåll och placering på vätskeytan. I jämförelse med BF-metoden, denna nya process ger förbättrad stabilitet, med utmärkt kontroll över porvolym och struktur, och möjliggör snabb tillverkning av funktionella, strukturerade polymerfilmer, gör applikationer genomförbara och skalbara.

Bläckstråleutskriftsprocessen är mycket programmerbar, med droppstorleken och mönstret för de droppar som levereras till substratet lätt att kontrollera. Innehållet i dropparna kan formuleras för att innehålla ett brett utbud av funktionella material samtidigt som de trycks pålitligt. Detta kan innefatta läkemedels- och biologiskt tryck. Varje droppe är mestadels nedsänkt och fångad i vätskan, men med en liten öppning utåt. I den första ansökan, för upptäckt av droger, detta gör att efterföljande droppar kan tillsättas och blandas med droppar som redan finns på ytan, som om de vore provrör i mikroskala. I den andra ansökan, denna lilla öppning gör att material kan frigöras genom diffusion. Detta gjorde det möjligt för forskarna Dr. Qingxin Zhang och Dr. Niamh Willis-Fox att undersöka varje steg i processen – print, fånga och släppa. Dr Clare Conboy, från Printed Electronics Ltd., bidrog också med expertis och mätningar av vätskors beteende när de börjar stelna och fånga dropparna.

För att förbättra fallpositioneringsnoggrannheten, självorganisering undersöktes som ett sätt att föra dropparna närmare varandra. Detta har visat sig vara ett mycket tillförlitligt och repeterbart sätt att säkerställa nästan perfekt dropppackning och teamet har visat hur man fångar dropparna i kvadratiska arrayer eller som en hexagonal bikakeliknande struktur.

Dr Ronan Daly, universitetslektor i Science and Technology of Manufacturing, sade:"Denna nivå av kontroll och ordning har aldrig uppnåtts med de alternativa teknikerna för självorganisering av självorganiseringstekniker med Breath Figure. Vi har också möjliggjort en förändring mot säkrare, mer miljömässigt ansvarsfull tillverkning av dessa strukturer. Resultatet är en låg kostnad och anpassningsbar teknik som har blivit dramatiskt mer repeterbar och justerbar, och en som banar väg för snabb översättning till tillämpningar i kombination av läkemedelsleverans och läkemedelsupptäcktstekniker."

Dr Su Metcalfe, VD för LIFNanoRx, sa:"De kombinerade krafterna hos tryckt personlig leverans tillsammans med biomimetikens kvantbiologi, ge en ny era av hållbar och universell terapi till låg kostnad och högt värde. "