Forskare från Harvard University har utvecklat en ny utskriftsmetod som använder ljudvågor för att generera droppar från vätskor med ett aldrig tidigare skådat intervall av sammansättning och viskositet. Denna teknik kan äntligen möjliggöra tillverkning av många nya bioläkemedel, kosmetika, och mat och utöka möjligheterna för optiska och ledande material.

"Genom att utnyttja akustiska krafter, vi har skapat en ny teknik som gör att otaliga material kan skrivas ut på ett drop-on-demand-sätt, sa Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss professor i biologiskt inspirerad teknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences och den äldre författaren till artikeln.

Lewis är också en kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och Jianming Yu professor i konst och vetenskap vid Harvard.

Forskningen är publicerad i Vetenskapens framsteg .

Vätskedroppar används i många applikationer från tryckfärg på papper till att skapa mikrokapslar för läkemedelstillförsel. Bläckstråleutskrift är den vanligaste tekniken som används för att mönstra vätskedroppar, men det är bara lämpligt för vätskor som är ungefär 10 gånger mer trögflytande än vatten. Ändå är många vätskor av intresse för forskare mycket mer trögflytande. Till exempel, biopolymer och cellladdade lösningar, som är avgörande för bioläkemedel och biotryck, är minst 100 gånger mer trögflytande än vatten. Vissa sockerbaserade biopolymerer kan vara lika trögflytande som honung, vilket är 25, 000 gånger mer trögflytande än vatten.

Viskositeten hos dessa vätskor förändras också dramatiskt med temperatur och sammansättning, gör det ännu svårare att optimera utskriftsparametrar för att kontrollera droppstorlekar.

"Vårt mål var att ta bort viskositeten ur bilden genom att utveckla ett trycksystem som är oberoende av vätskans materialegenskaper, sa Daniele Foresti, tidningens första författare, Branco Weiss Fellow och forskarassistent i materialvetenskap och maskinteknik vid SEAS och Wyss Institute.

Att göra det, forskarna vände sig till akustiska vågor.

Tack vare gravitationen, vilken vätska som helst kan droppa – från vatten som droppar ur en kran till det hundralånga experimentet med pitch drop. Enbart med gravitationen, droppstorleken förblir stor och dropphastigheten svår att kontrollera. Tonhöjd, som har en viskositet som är ungefär 200 miljarder gånger vatten, bildar en enda droppe per decennium.

För att förbättra droppbildningen, forskargruppen förlitar sig på att generera ljudvågor. Dessa tryckvågor har vanligtvis använts för att trotsa gravitationen, som vid akustisk levitation. Nu, forskarna använder dem för att hjälpa gravitationen, dubbning av denna nya teknik för akustoforetisk utskrift.

Forskarna byggde en akustisk resonator med subvåglängd som kan generera ett mycket begränsat akustiskt fält vilket resulterar i en dragkraft som överstiger 100 gånger de normala gravitationskrafterna (1 G) vid spetsen av skrivarmunstycket – det är mer än fyra gånger gravitationskraften på ytan av solen.

Denna kontrollerbara kraft drar bort varje droppe från munstycket när den når en specifik storlek och matar ut den mot utskriftsmålet. Ju högre amplitud ljudvågorna har, ju mindre droppstorlek, oberoende av vätskans viskositet.

"Tanken är att generera ett akustiskt fält som bokstavligen lösgör små droppar från munstycket, ungefär som att plocka äpplen från ett träd, sa Foresti.

Forskarna testade processen på ett brett utbud av material från honung till stamcellsbläck, biopolymerer, optiska hartser och, även, flytande metaller. Viktigt, ljudvågor går inte genom droppen, gör metoden säker att använda även med känslig biologisk last, såsom levande celler eller proteiner.

"Vår teknik borde ha en omedelbar inverkan på läkemedelsindustrin, " sade Lewis. "Men, vi tror att detta kommer att bli en viktig plattform för flera branscher."

"Detta är ett utsökt och effektfullt exempel på bredden och räckvidden av kollaborativ forskning, sa Dan Finotello, chef för NSF:s MRSEC-program. "Författarna har utvecklat en ny utskriftsplattform som använder akustiska krafter, som, till skillnad från andra metoder, är materialoberoende och erbjuder därför en enorm mångsidighet vid utskrift. Applikationsutrymmet är obegränsat."