哈佛研发新技术用声波打印液体

见惯了打印纸张、打印金属，打印陶瓷的你，是时候换换“口味”了。近日，据外媒报道称，哈佛大学的研究人员开发出了一种全新的印刷方法，即使用声波加速粘稠液体的打印方法。打印出的液滴成分和黏度范围之大前所未有，未来或将用于制造新的生物制药、化妆品和食品，并能拓展光学材料和导电材料的可能性。目前，该项研究已发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

　　“通过利用声学力，我们创造了一种新技术，能以按需方式打印无数材料，”哈佛约翰·保尔森学院生物启发工程Hansjorg Wyss的Jennifer Lewis教授说，工程与应用科学（SEAS）和论文的高级作者。此外，Lewis还是Wyss生物启发工程研究所的核心教员和哈佛大学的Jianming Yu艺术与科学教授。

　　其实，液滴的应用范围很广，从喷墨印刷到生产用于传送药物的微胶囊。喷墨打印是当下最为普遍的打印技术，但它仅适用于粘度比水大10倍的液体。然而，研究人员感兴趣的液体要比这个更加粘稠。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。而一些含糖的生物聚合物则能像蜂蜜一样粘稠，其粘度比水高2.5万倍。

　　如上图所示，通过控制目标位置，可以在任何地方小心地沉积和图案化喷射的液滴。在该实例中，蜂蜜滴在玻璃基板上被图案化，由于蜂蜜是非常粘稠，液滴需要相当长的时间来润湿玻璃。当然，这些液体的粘度也随温度和成分而有所不同，这便令优化印刷参数以及控制液滴尺寸变得更加困难。

　　“我们的目标是通过开发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，仅使用重力，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，每十年才会滴一滴。为了增强水滴形成，研究团队选择利用依靠声波。这些压力波通常用于抵抗重力，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，配音这种新技术的声学印刷。

　　研究人员建造了一个亚波长声谐振器，它可以产生一个高度受限的声场，导致拉力超过打印机喷嘴尖端正常重力（1G）的100倍。当液滴达到特定尺寸时，该可控制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，声波的振幅越高，液滴尺寸越小。

　　研究人员对蜂蜜、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，分别进行了测试。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（例如活细胞或蛋白质）也是安全的。

　　为了喷射液滴，声波印刷利用空气传播的超声波 ，即使是液态金属也可以轻松打印！这种特殊的液态金属在与大气接触时形成坚固的外壳，这种特殊的性质使得易于将液滴一个堆叠在另一个上面。

　　“我们的技术应该立即对制药行业产生影响，但是，我们相信这将成为多个行业的重要平台”，Lewis说。

　　“这是合作研究的广度和影响力的一个精致而有影响力的例子，作者使用声力开发了一种新的印刷平台，与其他方法不同，它与材料无关，因此具有极大的印刷多功能性。应用空间是无限的”。NSF MRSEC项目主任Dan Finotello表示。

　　哈佛技术开发办公室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Dimos Poulikakos共同撰写。它由科学协会通过Branco Weiss奖学金，国家科学基金会通过哈佛MRSEC和哈佛大学Blavatnik生物医学加速器资助。