未來空間無限的聲波打印技術(shù)，你聽過嗎？
發(fā)布時間：2020-09-28 09:06:45 點擊次數(shù)：146
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，當每個液滴達到特定尺寸時將其從噴嘴中拉出并將其朝向打印目標噴射——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一個世紀的瀝青降落實驗。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。
為了增強液滴形成，研究團隊依于聲波的產(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。
當液滴達到特定尺寸時，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?！?br />
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)社團通過Branco Weiss獎學(xué)金和國家科學(xué)基金會通過哈佛MRSEC資助。
