Akustisches Drucken: Schallwellen erzeugen präzise Tropfen aus jeder Flüssigkeit

• Akustophoretisches Drucken nutzt Schallwellen, um Tropfen aus beliebiger Flüssigkeit zu erzeugen.
• Die Technik ist unbeeinflusst von Viskosität oder Zusammensetzung der Flüssigkeit.
• Tropfengröße ist umgekehrt proportional zur Schallwellenamplitude: niedrigere Amplitude ergibt größere Tropfen.
• Anwendungen reichen von Biopharmazeutika, Kosmetik, Lebensmitteln bis zu fortschrittlichen Materialien.

Die Entwicklung des Heimpdrucks reicht bis in die 1930er zurück. Heute bieten Tintenstrahl- und Laserdrucker schnelle, energieeffiziente, hochwertige Farbausgabe zu niedrigen Kosten.

Tintenstrahltechnologie, die gängigste Tropfenbildungsmethode, ist auf Flüssigkeiten mit Viskositäten von mindestens dem Zehnfachen von Wasser limitiert. Laser-induzierter Vorwärtstransfer und ventibasiertes Drucken beschränken Durchsatz weiter durch Düsengröße, Quell-Substrat-Distanz und Viskosität. Die Anpassung dieser Parameter für jede Tinte wird herausfordernd, wenn sich Eigenschaften mit Temperatur und Zeit ändern.

Viele für Bioprinting essentielle Fluide – Biopolymere, zuckerreiche Gele – weisen Viskositäten über 100x Wasser auf, manche so dick wie Honig (≈25.000x Wasser). Diese hohen Viskositäten behindern konventionelles Drucken.

Harvard-Forscher haben eine akustikbasierte Methode entwickelt, die diese Einschränkungen überwindet. Durch Erzeugung eines hochlokalisierten akustischen Feldes an der Düsenspitze können sie Tropfen auf Abruf erzeugen – unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften.

Funktionsweise

Schwerkraft allein kann Tropfengröße nicht regulieren. Während Wasser in Sekunden aus dem Hahn tropft, bildet Pech – 200 Milliarden Mal viskoser als Wasser – in zehn Jahren einen einzigen Tropfen. Das Harvard-Team setzte Schallwellen ein, um Tropfenbildung zu steuern. Akustische Levitationsfähigkeit, der Schwerkraft entgegenzuwirken, ist lange bekannt; hier wird sie genutzt, um sie zu unterstützen – ein Prozess, der akustophoretisches Drucken genannt wird.

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

Der subwellenlänge akustische Resonator liefert ein akustisches Feld 100x stärker als Schwerkraft (1 g) an der Düsenspitze – viermal die Sonnenoberflächengravitation. Wenn ein Tropfen seine kritische Größe erreicht, extrahiert die akustische Kraft ihn aus der Düse und schleudert ihn zum Zielort. Wichtig: Die Tropfengröße wird durch die Wellenamplitude festgelegt, unabhängig von der Flüssigkeitsviskosität.

Referenz: Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard University

Tests und Anwendungen

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

Die Methode wurde an diversen Materialien validiert – Biopolymere, Honig, optische Harze, Stammzellentinten, Flüssigmetalle. Da Schallwellen nicht in Tropfen eindringen, bewahrt die Technik die Integrität empfindlicher Biomoleküle wie Proteine und lebende Zellen.

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Forscher erwarten, dass akustophoretisches Drucken die Produktion von Kosmetika, Biopharmazeutika und Lebensmitteln revolutionieren und den Einsatz leitfähiger und optischer Materialien erweitern könnte.