I ricercatori di Harvard utilizzano le onde sonore per assistere la stampa 3D con liquidi viscosi
I ricercatori della John A Paulsen School of Engineering e Applied Sciences (SEAS) dell’Università di Harvard hanno sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D che utilizza le onde sonore per generare goccioline da liquidi con una gamma e una viscosità senza precedenti. Secondo i ricercatori, questa tecnica consente la stampa 3D di una miriade di materiali in modalità drop-on-demand e potrebbe essere utilizzata per sintetizzare biofarmaceutici e cosmetici, nonché materiali ottici e conduttivi.
Attualmente, le microcapsule utilizzate per la somministrazione di farmaci vengono realizzate utilizzando la stampante 3D a getto d’inchiostro. La stampa 3D a getto d’inchiostro utilizza gocce di liquido liquido per formare solidi, tuttavia è adatta solo per i liquidi che sono circa 10 volte più viscosi dell’acqua, secondo i ricercatori. Eppure molti liquidi di interesse per i ricercatori sono molto più viscosi. Ad esempio, gli inchiostri biopolimerici e a carica cellulare utilizzati nei biofarmaci e nella bioprinting sono almeno 100 volte più viscosi dell’acqua. Alcuni biopolimeri a base di zucchero potrebbero essere viscosi quanto il miele, che è 25.000 volte più viscoso dell’acqua.
La viscosità di questi fluidi cambia anche drammaticamente con la temperatura e la composizione, rendendo ancora più difficile ottimizzare i parametri di stampa per controllare le dimensioni delle gocce.
Il team di ricerca SEAS ha quindi sviluppato un sistema di stampa 3D indipendente dalle proprietà del materiale del fluido. Hanno costruito un sistema utilizzando onde acustiche per aiutare la gravità a formare gocce di dimensioni controllate da fluidi viscosi.
In un articolo su Science Advances, il team di Harvard, guidato dal prof Jennifer Lewis, che è anche affiliato al Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e alla School of Arts and Sciences, descrive come hanno progettato e costruito un risonatore acustico subwavelength in grado di generare un campo acustico limitato che causa una forza di trazione più di 100 volte più forte delle normali forze gravitazionali sulla punta dell’ugello della stampante.
Controllando la posizione target, le goccioline espulse possono essere accuratamente depositate e modellate ovunque. In questo esempio, le gocce di miele sono modellate su un substrato di vetro.
“L’idea è di generare un campo acustico che stacchi letteralmente le minuscole goccioline dall’ugello, proprio come raccogliere le mele da un albero”, ha detto Daniele Foresti, primo autore della carta, Branco Weiss Fellow e Research Associate in Materials Science and Mechanical Engineering al SEAS e all’Istituto Wyss.
I ricercatori hanno testato il processo su un’ampia gamma di materiali, tra cui miele, inchiostri a cellule staminali, biopolimeri, resine ottiche e metalli liquidi. La forza controllabile estrae ogni goccia dall’ugello quando raggiunge una dimensione specifica, che va da un valore massimo che supera 800 μm a meno di 65 μm, e la espelle verso il bersaglio di stampa. I ricercatori hanno scoperto che Maggiore è l’ampiezza delle onde sonore, minore è la dimensione delle gocce, indipendentemente dalla viscosità del fluido. È importante sottolineare che le onde sonore non viaggiano attraverso la goccia, rendendo il metodo sicuro da usare anche con carichi biologici sensibili, come le cellule viventi o le proteine.
Per espellere le goccioline, la stampa acoustoforetica utilizza gli ultrasuoni aerodispersi, praticamente indipendenti dal materiale. Anche il metallo liquido può essere facilmente stampato! Questo particolare metallo liquido forma un guscio solido a contatto con l’atmosfera, e questa particolare proprietà rende facile impilare le gocce una sull’altra. (Immagine per gentile concessione di Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Università di Harvard.)
“La nostra tecnologia dovrebbe avere un impatto immediato sull’industria farmaceutica”, ha affermato Lewis. “Tuttavia, crediamo che questo diventerà una piattaforma importante per molteplici industrie”.
