Gli ingegneri di Cambridge hanno dimostrato, per la prima volta, la stampa digitale a getto d'inchiostro e l'auto-organizzazione di microgoccioline su superfici fluide per creare strutture di materiali funzionali.

Queste gocce stampate sono naturalmente intrappolate sulla superficie del fluido. È a questo punto che vengono catturati mentre il fluido si solidifica attorno alle gocce in una pellicola polimerica solida. Ispirandosi ai pattern di condensa che si formano sulle superfici, questo rivoluzionario metodo di facile produzione apre la strada all'ampliamento delle applicazioni future nella scoperta di farmaci e nella consegna di farmaci personalizzati stampati.

Il team di ricerca Fluids in Advanced Manufacturing dell'Institute for Manufacturing (IfM), parte del Dipartimento di Ingegneria, stanno cercando di usare le gocce come provette su microscala per le reazioni. Sperano che i milioni di gocce, in grado di adattarsi su una piccola area, può essere utilizzato per accelerare le reazioni di scoperta di farmaci. Il team indagherà ulteriormente su questo aspetto nel lavoro finanziato da BBSRC—Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Per di più, il team sta esplorando l'uso di catturare e rilasciare le goccioline per il trattamento su misura delle ferite. Lavorando a stretto contatto con BBSRC Impact Acceleration Account e LIFNano Rx Limited, spin-out dell'Università di Cambridge, che utilizza la biologia quantistica per catturare le proprietà curative del fattore di crescita delle cellule staminali "LIF", il team prevede prodotti stampati con il potenziale valore di trasformare la guarigione delle ferite.

I film polimerici con pori regolabili sono essenziali quando si tratta di progettare applicazioni come il rilascio controllato di farmaci. Un esempio include la somministrazione di un dosaggio combinato personalizzato tramite un cerotto o un film solubile posto sulla lingua. Ora i ricercatori hanno combinato questa tecnica di stampa avanzata con i principi di un metodo ispirato alla natura, per fornire un modo producibile per fornire funzionalità ai film polimerici porosi. I risultati dello studio sono pubblicati sulle riviste Materials Horizons e International Journal of Pharmaceutics.

Schemi naturali di condensazione dell'acqua che si vedono ogni giorno su superfici solide, e che furono studiati da Lord Rayleigh nel 1911, sono spesso indicati come 'Breath Figures (BFs)'. Dagli anni '90, è noto che questi BF potrebbero presentarsi come goccioline d'acqua su scala micron su una superficie fluida, con la capacità di auto-organizzarsi e imprimersi in una struttura polimerica microporosa permanente. Ispirato da questo, il team di ricerca di Cambridge ha utilizzato la stampa a getto d'inchiostro drop-on-demand (DoD) per controllare la dimensione delle gocce, il suo contenuto e la sua posizione sulla superficie del fluido. Rispetto al metodo BF, questo nuovo processo offre una maggiore stabilità, con un eccellente controllo del volume e della struttura dei pori, e consente una rapida produzione di elementi funzionali, film polimerici strutturati, rendere le applicazioni fattibili e scalabili.

Il processo di stampa a getto d'inchiostro è altamente programmabile, con la dimensione delle goccioline e il modello delle goccioline consegnate al substrato facilmente controllabili. Il contenuto delle gocce può essere formulato per contenere un'ampia gamma di materiali funzionali pur continuando a stampare in modo affidabile. Questo può includere la stampa farmaceutica e biologica. Ogni goccia è per lo più sommersa e intrappolata nel fluido, ma con una piccola apertura verso l'esterno. Nella prima applicazione, per la scoperta di farmaci, questo permette di aggiungere gocce successive e miscelarle con gocce già in superficie, come se fossero provette in microscala. Nella seconda applicazione, questa piccola apertura permette il rilascio del materiale per diffusione. Ciò ha permesso ai ricercatori Dr. Qingxin Zhang e Dr. Niamh Willis-Fox di esaminare ogni fase del processo:stampa, catturare e rilasciare. Dottoressa Clare Conboy, da Printed Electronics Ltd., ha anche contribuito con competenze e misurazioni del comportamento dei fluidi quando iniziano a solidificarsi e intrappolano le goccioline.

Per migliorare la precisione di posizionamento della goccia, l'auto-organizzazione è stata esplorata come un modo per avvicinare le goccioline. Si è scoperto che questo è un modo altamente affidabile e ripetibile per garantire un impaccamento delle gocce quasi perfetto e il team ha mostrato come catturare le gocce in matrici quadrate o come una struttura esagonale a nido d'ape.

Dottor Ronan Daly, docente di Scienze e Tecnologie della Produzione, ha dichiarato:"Questo livello di controllo e ordine non è mai stato raggiunto con le tecniche alternative di auto-organizzazione delle goccioline Breath Figure. Abbiamo anche consentito uno spostamento verso una maggiore sicurezza, produzione più ecologicamente responsabile di queste strutture. Il risultato è una tecnica a basso costo e personalizzabile che è diventata notevolmente più ripetibile e adattabile, e uno che apre la strada a una rapida traduzione in applicazioni in combinazione di somministrazione di farmaci e tecniche di scoperta di farmaci".

Dott. Su Metcalfe, CEO di LIFNanoRx, ha dichiarato:"I poteri combinati della consegna personalizzata stampata insieme alla biologia quantistica della biomimetica, portare una nuova era di terapie sostenibili e universali a basso costo e ad alto valore".