Akoestisch printen:geluidsgolven creëren nauwkeurige druppels uit elke vloeistof

• Akoestoforetisch printen maakt gebruik van geluidsgolven om druppels uit elke vloeistof te genereren.
• De techniek wordt niet beïnvloed door de viscositeit of samenstelling van de vloeistof.
• De druppelgrootte is omgekeerd evenredig met de amplitude van de geluidsgolf:een lagere amplitude levert grotere druppels op.
• Toepassingen omvatten biofarmaceutica, cosmetica, voeding en geavanceerde materialen.

De evolutie van het thuisprinten gaat terug tot de jaren dertig van de vorige eeuw. Tegenwoordig bieden vloeibare inkjet- en laserprinters snelle, energiezuinige kleurenafdrukken van hoge kwaliteit tegen lage kosten.

Inkjettechnologie, de meest voorkomende druppelvormingsmethode, is beperkt tot vloeistoffen met een viscositeit die minstens tien keer zo hoog is als die van water. Lasergeïnduceerde voorwaartse overdracht en ventielgebaseerd printen beperken de doorvoer verder door de grootte van de spuitmond, de afstand tussen bron en substraat en de viscositeit. Het aanpassen van deze parameters voor elke inkt wordt een uitdaging wanneer de eigenschappen variëren afhankelijk van de temperatuur en de tijd.

Veel vloeistoffen die essentieel zijn voor bioprinten – biopolymeren en suikerrijke gels – vertonen viscositeiten van meer dan 100× water, waarvan sommige zo dik zijn als honing (≈25.000× water). Deze hoge viscositeit belemmert conventioneel printen.

Harvard-onderzoekers hebben een op akoestiek gebaseerde methode ontwikkeld die deze beperkingen overwint. Door een zeer beperkt akoestisch veld te genereren aan de punt van het mondstuk, kunnen ze op verzoek druppels produceren, ongeacht de vloeistofeigenschappen.

Hoe het werkt

Zwaartekracht alleen kan de druppelgrootte niet reguleren. Terwijl water binnen enkele seconden uit een kraan druppelt, vormt pek – 200 miljard keer stroperiger dan water – in tien jaar tijd één enkele druppel. Het Harvard-team gebruikte geluidsgolven om de druppelvorming te sturen. Akoestische levitatie heeft al lang het vermogen aangetoond om de zwaartekracht tegen te gaan; hier wordt het ter ondersteuning gebruikt, een proces dat acoustophoretisch printen wordt genoemd.

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

De akoestische resonator met een subgolflengte levert een akoestisch veld dat 100x sterker is dan de zwaartekracht (1 g) aan de punt van het mondstuk:vier keer de zwaartekracht van de zon. Wanneer een druppel zijn kritische grootte bereikt, wordt deze door de akoestische kracht uit het mondstuk gehaald en naar de doellocatie voortgestuwd. Belangrijk is dat de grootte van de druppel wordt bepaald door de golfamplitude, onafhankelijk van de viscositeit van de vloeistof.

Referentie:vooruitgang in de wetenschap | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard Universiteit

Testen en toepassingen

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

De methode werd gevalideerd op een diverse reeks materialen:biopolymeren, honing, optische harsen, stamcelinkten en vloeibare metalen. Omdat geluidsgolven niet in druppeltjes kunnen doordringen, behoudt de techniek de integriteit van delicate biomoleculen zoals eiwitten en levende cellen.

Lezen:Wetenschappers printen een kunstmatig menselijk hoornvlies in 3D met ‘bio-inkt’

Onderzoekers verwachten dat akoestoforetisch printen een revolutie teweeg kan brengen in de productie van cosmetica, biofarmaceutica en voedsel, en het gebruik van geleidende en optische materialen kan uitbreiden.