未來空間無限的聲波打印技術(shù)，你聽過嗎？
發(fā)布時間：2020-09-02 17:01:14 點擊次數(shù)：127
研究人員研發(fā)了一種新的印刷技術(shù)，該技術(shù)即使用聲波來控制液滴的大小，而與流體粘度無關(guān)。這種方法可以大大拓寬液體的類型，包括生物制藥，可以按需印刷。研究人員使用聲波在打印機(jī)噴嘴尖端產(chǎn)生了有限的力，從而拉動液滴。聲波的振幅越大，液滴尺寸越小。
在聲波印刷中，聲波產(chǎn)生一種可控的力，當(dāng)每個液滴達(dá)到特定尺寸時將其從噴嘴中拉出并將其朝向打印目標(biāo)噴射——就像從樹上摘蘋果一樣！
圖片來源：Daniele Foresti，Jennifer A. Lewis，哈佛大學(xué)
哈佛大學(xué)的研究人員研發(fā)出一種新的印刷方法，利用聲波從液體中產(chǎn)生液滴，其成分和粘度都是空前的。這種技術(shù)最終可以制造許多新的生物制藥，化妝品和食品，并擴(kuò)大光學(xué)和導(dǎo)電材料的可能性。
“通過利用聲學(xué)力，我們已創(chuàng)造了一種新技術(shù)，可以使無數(shù)材料能夠按需印刷，”Jennifer Lewis說。她是哈佛大學(xué)John A. Paulson工程應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Hansjorg Wyss生物工程教授，也是這篇文章的資深作者。
Lewis還是Wyss生物工程研究所的核心教員和哈佛大學(xué)Jianming Yu文理學(xué)院的教授。這項研究在“Science Advances”上發(fā)表了。
液滴被用于許多應(yīng)用中，從在紙上印刷油墨到生產(chǎn)用于藥物遞送的微膠囊。噴墨打印是用液滴進(jìn)行圖案化的最常用技術(shù)，但它僅適用于粘度比水大約10倍的液體。然而，研究人員感興趣的許多流體更加粘稠。例如，生物聚合物和載有細(xì)胞的溶液對生物制藥和生物打印至關(guān)重要，其粘度至少是水的100倍。一些糖基生物聚合物可能像蜂蜜一樣粘稠，其粘度是水的25,000倍。
這些流體的粘度也隨溫度和成分而急劇變化，使得優(yōu)化印刷參數(shù)以控制液滴尺寸變得更加困難。
“我們的目標(biāo)是通過開發(fā)一種獨立于流體材料特性的印刷系統(tǒng)來消除粘度，”該論文的第一作者，Branco Weiss研究員和SEAS、 Wyss Institute的工程材料科學(xué)與機(jī)械研究助理Daniele Foresti說。
為此，研究人員轉(zhuǎn)向聲波。由于重力作用，任何液體都會滴落——從水龍頭滴出的水滴到長達(dá)一個世紀(jì)的瀝青降落實驗。單憑重力，液滴尺寸仍然很大，并且難以控制下降速率。瀝青的粘度約為水的2000億倍，每十年形成一滴。
為了增強(qiáng)液滴形成，研究團(tuán)隊依于聲波的產(chǎn)生。這些壓力波通常用于對抗重力，如在聲懸浮的情況下?，F(xiàn)在，研究人員正在使用它們來輔助重力，并把這種新技術(shù)稱為“聲波打印”。
研究人員建造了一個亞波長聲學(xué)共振器，可以產(chǎn)生一個高度封閉的聲場，導(dǎo)致拉力超過打印機(jī)噴嘴尖端正常引力（1 G）的100倍?——也高于太陽表面重力的4倍。
當(dāng)液滴達(dá)到特定尺寸時，該可控力將每個液滴從噴嘴拉出，并將其朝向打印目標(biāo)噴射。無論流體的粘度如何，聲波的振幅越大，液滴尺寸越小。
“這個想法是產(chǎn)生一個聲場，從噴嘴上分離出微小的液滴，就像從樹上摘蘋果一樣，”Foresti說道。
研究人員從蜂蜜到干細(xì)胞油墨、生物聚合物、光學(xué)樹脂甚至液態(tài)金屬等各種材料上測試了這一過程。重要的是，聲波不會通過液滴傳播，使得該方法即使對于敏感的生物貨物（如活細(xì)胞或蛋白質(zhì)）也是安全的。
“我們的技術(shù)應(yīng)該對制藥行業(yè)產(chǎn)生立竿見影的接影響，”Lewis說，“但是，我們相信這將成為多個行業(yè)的重要平臺。”
美國國家科學(xué)基金會MRSEC項目主任Dan Finotello說：“這是合作研究廣度和深度的一個精致而有影響力的例子?！?“作者開發(fā)了一個使用聲力的新印刷平臺，與其他方法不同，它與材料無關(guān)，因此具有巨大的印刷功能。應(yīng)用空間是無限的?！?br />
哈佛技術(shù)開發(fā)辦公室已經(jīng)保護(hù)了與該項目有關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，并正在探索商業(yè)化機(jī)會。
這項研究由Katharina Kroll，Robert Amissah，F(xiàn)rancesco Sillani，Kimberly Homan和DimosPoulikakos共同撰寫。它由科學(xué)社團(tuán)通過Branco Weiss獎學(xué)金和國家科學(xué)基金會通過哈佛MRSEC資助。
