I ricercatori dell'Università di Harvard hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa che utilizza le onde sonore per generare goccioline da liquidi con una gamma di composizione e viscosità senza precedenti. Questa tecnica potrebbe finalmente consentire la produzione di molti nuovi biofarmaci, cosmetici, e cibo e ampliare le possibilità di materiali ottici e conduttivi.

"Sfruttando le forze acustiche, abbiamo creato una nuova tecnologia che consente di stampare una miriade di materiali in modalità drop-on-demand, "ha detto Jennifer Lewis, l'Hansjorg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e l'autore senior dell'articolo.

Lewis è anche membro principale della facoltà presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e Jianming Yu Professor of Arts and Sciences ad Harvard.

La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .

Le goccioline liquide sono utilizzate in molte applicazioni, dalla stampa di inchiostro su carta alla creazione di microcapsule per la somministrazione di farmaci. La stampa a getto d'inchiostro è la tecnica più comune utilizzata per modellare goccioline di liquido, ma è adatto solo per liquidi che sono circa 10 volte più viscosi dell'acqua. Eppure molti fluidi di interesse per i ricercatori sono molto più viscosi. Per esempio, biopolimero e soluzioni cariche di cellule, che sono vitali per i biofarmaci e il bioprinting, sono almeno 100 volte più viscosi dell'acqua. Alcuni biopolimeri a base di zucchero potrebbero essere viscosi come il miele, che è 25, 000 volte più viscoso dell'acqua.

Anche la viscosità di questi fluidi cambia drasticamente con la temperatura e la composizione, rende ancora più difficile ottimizzare i parametri di stampa per controllare le dimensioni delle gocce.

"Il nostro obiettivo era eliminare la viscosità dall'immagine sviluppando un sistema di stampa indipendente dalle proprietà del materiale del fluido, " ha detto Daniele Foresti, primo autore del saggio, il Branco Weiss Fellow e Research Associate in Materials Science and Mechanical Engineering presso SEAS e Wyss Institute.

Fare quello, i ricercatori si sono rivolti alle onde acustiche.

Grazie alla gravità, qualsiasi liquido può gocciolare, dall'acqua che gocciola da un rubinetto all'esperimento secolare della caduta di pece. Con la sola gravità, la dimensione delle gocce rimane grande e la velocità di caduta è difficile da controllare. Pece, che ha una viscosità circa 200 miliardi di volte quella dell'acqua, forma una goccia ogni decennio.

Per migliorare la formazione di gocce, il team di ricerca si basa sulla generazione di onde sonore. Queste onde di pressione sono state tipicamente usate per sfidare la gravità, come nel caso della levitazione acustica. Ora, i ricercatori li stanno usando per aiutare la gravità, doppiando questa nuova tecnica di stampa acustoforetica.

I ricercatori hanno costruito un risonatore acustico a lunghezza d'onda inferiore in grado di generare un campo acustico altamente confinato risultante in una forza di trazione superiore a 100 volte le normali forze di gravitazione (1 G) sulla punta dell'ugello della stampante, ovvero più di quattro volte la forza gravitazionale sulla superficie del sole.

Questa forza controllabile tira via ogni goccia dall'ugello quando raggiunge una dimensione specifica e la espelle verso il bersaglio di stampa. Maggiore è l'ampiezza delle onde sonore, minore è la dimensione della goccia, indipendentemente dalla viscosità del fluido.

"L'idea è quella di generare un campo acustico che stacchi letteralmente minuscole goccioline dall'ugello, proprio come raccogliere mele da un albero, " disse Foresti.

I ricercatori hanno testato il processo su un'ampia gamma di materiali, dal miele agli inchiostri delle cellule staminali, biopolimeri, resine ottiche e, anche, metalli liquidi. È importante sottolineare che le onde sonore non viaggiano attraverso la goccia, rendendo il metodo sicuro da usare anche con carichi biologici sensibili, come cellule viventi o proteine.

"La nostra tecnologia dovrebbe avere un impatto immediato sull'industria farmaceutica, " disse Lewis. "Tuttavia, crediamo che questa diventerà una piattaforma importante per molteplici settori."

"Questo è un esempio squisito e di grande impatto dell'ampiezza e della portata della ricerca collaborativa, " disse Dan Finotello, direttore del programma MRSEC di NSF. "Gli autori hanno sviluppato una nuova piattaforma di stampa utilizzando forze acustiche, quale, a differenza di altri metodi, sono indipendenti dal materiale e offrono quindi un'enorme versatilità di stampa. Lo spazio per le applicazioni è illimitato."