Akustisch printen: Geluidsgolven creëren nauwkeurige druppels uit elke vloeistof

• Acoustophoretisch printen benut geluidsgolven om druppels te genereren uit elke vloeistof.
• De techniek wordt niet beïnvloed door de viscositeit of samenstelling van de vloeistof.
• Druppelsize is omgekeerd evenredig met de geluidsgolf-amplitude: lagere amplitude levert grotere druppels op.
• Toepassingen spannen biopharmaceutica, cosmetica, voedsel en geavanceerde materialen.

De evolutie van thuisprinten dateert terug naar de jaren '30. Vandaag bieden vloeistof-inktjet en laserprinters snelle, energie-efficiënte, hoge-kwaliteit kleuroutput tegen lage kosten.

Inktjet-technologie, de meest voorkomende druppelvormingsmethode, is beperkt tot vloeistoffen met viscositeiten van ten minste tien keer die van water. Laser-geïnduceerde forward transfer en klep-gebaseerde printen beperken de doorvoer verder door monding-grootte, bron-substraat-afstand en viscositeit. Het aanpassen van deze parameters voor elk inkt wordt uitdagend wanneer eigenschappen variëren met temperatuur en tijd.

Vele vloeistoffen essentieel voor bioprinten – biopolymeren, suiker-rijke gels – vertonen viscositeiten die 100x water overschrijden, met sommige zo dik als honing (≈25.000x water). Deze hoge viscositeiten hinderen conventioneel printen.

Onderzoekers van Harvard hebben een akoestisch-gebaseerde methode ontwikkeld die deze beperkingen overstijgt. Door een hoog-begrensd akoestisch veld aan de monding-tip te genereren, kunnen ze op verzoek druppels produceren ongeacht vloeistofeigenschappen.

Hoe het werkt

Zwaartekracht alleen kan druppelgrootte niet regelen. Terwijl water uit een kraan in seconden druipt, vormt pitch – 200 miljard keer viskeuzer dan water – een enkele druppel in tien jaar. Het Harvard-teamusetzen geluidsgolven in om druppelvorming te sturen. Akoestische levitatie heeft lang de capaciteit getoond om zwaartekracht te tegengaan; hier wordt het gebruikt om het te assisteren, een proces genaamd acoustophoretisch printen.

Credit: Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

De sub-golflengte akoestische resonator levert een akoestisch veld 100x sterker dan zwaartekracht (1g) aan de monding-tip – vier keer de zonnelijke zwaartekracht. Wanneer een druppel de kritieke grootte bereikt, trekt de akoestische kracht het uit de monding en stuwt het naar de doellocatie. Belangrijk is dat de druppelgrootte bepaald wordt door de golf-amplitude, onafhankelijk van de vloeistof-viscositeit.

Referentie: Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard University

Testen en toepassingen

Credit: Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

De methode werd gevalideerd op een diverse set materialen – biopolymeren, honing, optische harsen, stamcel-inkten, en vloeibare metalen. Omdat geluidsgolven druppels niet kunnen penetreren, behoudt de techniek de integriteit van gevoelige biomoleculen zoals eiwitten en levende cellen.

Lees: Wetenschappers 3D-printen een kunstmatige menselijke hoornvlies met 'bio-inkt'

Onderzoekers verwachten dat acoustophoretisch printen de productie van cosmetica, biopharmaceutica en voedsel kan revolutioneren, en het gebruik van geleidende en optische materialen kan uitbreiden.