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哈佛研究人员发明了使用声波的打印技术

2018-09-10  来源:材料科技在  作者:叶子  浏览:217  0人参与评论
摘要: 研究人员研发了一种新的印刷技术,该技术即使用声波来控制液滴的大小,而与流体粘度无关。这种方法可以大大拓宽液体的类型,包括生物制药,可以按需印刷。研究人员使用声波在打印机喷嘴尖端产生了有限的力,从而拉动液滴。声波的振幅越大,液滴尺寸越小。
  研究人员研发了一种新的印刷技术,该技术即使用声波来控制液滴的大小,而与流体粘度无关。这种方法可以大大拓宽液体的类型,包括生物制药,可以按需印刷。研究人员使用声波在打印机喷嘴尖端产生了有限的力,从而拉动液滴。声波的振幅越大,液滴尺寸越小。

   在声波印刷中,声波产生一种可控的力,当每个液滴达到特定尺寸时将其从喷嘴中拉出并将其朝向打印目标喷射——就像从树上摘苹果一样!

图片来源:Daniele Foresti,Jennifer A. Lewis,哈佛大学

   哈佛大学的研究人员研发出一种新的印刷方法,利用声波从液体中产生液滴,其成分和粘度都是空前的。这种技术最终可以制造许多新的生物制药,化妆品和食品,并扩大光学和导电材料的可能性。

   “通过利用声学力,我们已创造了一种新技术,可以使无数材料能够按需印刷,”Jennifer Lewis说。她是哈佛大学John A. Paulson工程应用科学学院的Hansjorg Wyss生物工程教授,也是这篇文章的资深作者。

   Lewis还是Wyss生物工程研究所的核心教员和哈佛大学Jianming Yu文理学院的教授。这项研究在“Science Advances”上发表了。

   液滴被用于许多应用中,从在纸上印刷油墨到生产用于药物递送的微胶囊。喷墨打印是用液滴进行图案化的最常用技术,但它仅适用于粘度比水大约10倍的液体。然而,研究人员感兴趣的许多流体更加粘稠。例如,生物聚合物和载有细胞的溶液对生物制药和生物打印至关重要,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样粘稠,其粘度是水的25,000倍。

   这些流体的粘度也随温度和成分而急剧变化,使得优化印刷参数以控制液滴尺寸变得更加困难。

   “我们的目标是通过开发一种独立于流体材料特性的印刷系统来消除粘度,”该论文的第一作者,Branco Weiss研究员和SEAS、 Wyss Institute的工程材料科学与机械研究助理Daniele Foresti说。

   为此,研究人员转向声波。由于重力作用,任何液体都会滴落——从水龙头滴出的水滴到长达一个世纪的沥青降落实验。单凭重力,液滴尺寸仍然很大,并且难以控制下降速率。沥青的粘度约为水的2000亿倍,每十年形成一滴。

   为了增强液滴形成,研究团队依于声波的产生。这些压力波通常用于对抗重力,如在声悬浮的情况下。现在,研究人员正在使用它们来辅助重力,并把这种新技术称为“声波打印”。

   研究人员建造了一个亚波长声学共振器,可以产生一个高度封闭的声场,导致拉力超过打印机喷嘴尖端正常引力(1 G)的100倍?——也高于太阳表面重力的4倍。

   当液滴达到特定尺寸时,该可控力将每个液滴从喷嘴拉出,并将其朝向打印目标喷射。无论流体的粘度如何,声波的振幅越大,液滴尺寸越小。

   “这个想法是产生一个声场,从喷嘴上分离出微小的液滴,就像从树上摘苹果一样,”Foresti说道。

   研究人员从蜂蜜到干细胞油墨、生物聚合物、光学树脂甚至液态金属等各种材料上测试了这一过程。重要的是,声波不会通过液滴传播,使得该方法即使对于敏感的生物货物(如活细胞或蛋白质)也是安全的。

   “我们的技术应该对制药行业产生立竿见影的接影响,”Lewis说,“但是,我们相信这将成为多个行业的重要平台。”

   美国国家科学基金会MRSEC项目主任Dan Finotello说:“这是合作研究广度和深度的一个精致而有影响力的例子。” “作者开发了一个使用声力的新印刷平台,与其他方法不同,它与材料无关,因此具有巨大的印刷功能。应用空间是无限的。”

   哈佛技术开发办公室已经保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

   这项研究由Katharina Kroll,Robert Amissah,Francesco Sillani,Kimberly Homan和DimosPoulikakos共同撰写。它由科学社团通过Branco Weiss奖学金和国家科学基金会通过哈佛MRSEC资助。

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