一种新型声波打印技术：利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴

近日，哈佛大学的研究人员发明了一种新型声波打印技术：利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴，将让喷墨式打印不再受材料限制，而且适用的打印材料范围前所未有地广泛。

这项技术在新型生物制药、化妆品和食品制造行业有很大的应用潜力，也将给光学材料和导电材料领域的发展也带来了新的可能性。

这项研究成果于 8 月 31 日发表在著名国际期刊《科学进展》（Science Advances）上。

论文的通讯作者、哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的生物工程学教授 Jennifer Lewis 说：“我们发明的这种声波打印技术，利用了声波产生的力，能按照需求打印任意的材料。” Lewis 教授也是哈佛大学威斯生物工程研究所（Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering）的核心教员。

图 | 在声波打印中，声波产生可控的力，当喷嘴处液滴达到某个尺寸时，能将液滴拽离喷嘴并射向基座，就像从树上摘下一个个苹果。来源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

从自然界乃至工业界，小小的液滴都有很多应用，比如油墨打印以及药物递送系统中用到的微胶囊。

喷墨打印（Inkjet printing）是一种非常常见的打印技术，通过将墨滴喷射到纸张、塑料或其他基座上来重建数字图像。打印机就是基于这一技术。

这一技术的特点是只适用于那些粘度仅比水的粘度高约 10 倍的液体，但是实际上很多研究人员感兴趣的液体在粘度方面恰恰远比这要高。比如，在生物医药和生物打印中至关重要的聚合物以及细胞混合液等生物墨水，它们的粘度至少要比水高出 100 倍。此外，一些糖基的生物聚合物甚至像蜂蜜一样粘稠，粘度高达水的 2.5 万倍之多！

另一方面，这些液体的粘度也会随着温度和成分的变化而发生剧烈的变化，因此想要优化打印参数以控制液滴的尺寸就变得更加困难。

图 | 蜂蜜是一种典型的粘稠液体，比水的粘稠度要高 2.5 万倍。声波打印适用于形成任意液体的液滴，能从充满蜂蜜的墨盒中产生极其微小的单个蜂蜜液滴。来源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

“我们的目标是开发一套不受液体材料特性限制的打印系统，尤其是要不受液体粘度影响”，论文的第一作者 Daniele Foresti 说。Daniele Foresti 是科学学会 Branco Weiss 会员（Society in Science - BrancoWeiss Fellow），也是哈佛大学工程与应用科学学院和威斯生物工程研究所材料科学与机械工程系的助理研究员。

图 | 在声波打印中，喷射出的液滴能以任意的排布沉积在基底上。本图是将蜂蜜液滴阵列打印在玻璃片上。来源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

众所周知，由于重力作用，所有的液滴都会往下滴——不管是沿着水龙头快速滴下的水，还是数年才会落下一滴的沥青。然而，如果打印时仅有重力的作用，液滴的尺寸就会很大，并且液滴的滴落速率很难控制。在著名的沥青滴漏实验中，每十年才会有一滴沥青滴落，科学家据此估测沥青的粘度大约是水的 2000 亿倍。

为了增强打印时形成液滴的能力，研究人员将目光转向了声波。声波是一种压力波，研究者通常利用这种压力波来对抗重力作用，就像是声悬浮（acoustic levitation）中的原理。现在，研究者反过来利用这种声波压力来辅助重力作用，从而发明了这种新型打印技术：声波打印（acoustophoretic printing）。

图 | 声悬浮仪的工作原理。注：声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应，其基本原理是利用声柱波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量，同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处。来源：百度百科

为此，研究人员搭建了一个亚波长声波谐振器用来生成一个高度局域化的声场，这个声场所产生的拉力远超过打印喷嘴顶端法向重力（1G）的 100 倍，甚至达到太阳表面引力的 4 倍之多！

当液滴达到特定的尺寸时，这种可控的声压能将液滴从喷嘴中拉出，并将其射向打印基底。在这个过程中，声波的振幅越高，液滴的尺寸就越小，而与流体的粘度无关。

图 | 声波打印用于液态金属的打印。来源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

研究者使用了空气超声波（airborne ultrasounds），这一技术基本不受材料影响，所以即使是液态金属也能很容易的打印出来。

Foresti 称：“这个技术的关键是产生一个高强的声场，能从喷嘴处拽下一个个微小的液滴，就像是从树上摘苹果一样。”

为了验证该技术的性能，研究人员测试了各种各样的材料，从高粘度的蜂蜜到生物工程常用的干细胞生物墨水、生物聚合物等，此外还有光学树脂、甚至是液态金属等。值得注意的是，声波并不会通过液滴而传播，因此即使是易损的生物载体，如活细胞或蛋白质大分子等，这种方法也是安全有效的。

“我们的技术应该会对制药业产生立竿见影的影响，”Lewis 说，“不过，我们相信这也会成为其他多个行业的重要平台。”

“这是合作研究广度和深度相结合的一个精妙而有影响力的例子，”美国国家科学基金会（NSF）材料研究科学与工程中心（MRSEC）项目主任 Dan Finotello 说，“作者开发了一种新型的声学打印平台，与其他方法对比最大的优势是其与材料性质无关，因此具有很好的打印通用性。（它的）应用空间是无限的。”

这项研究的其他共同作者是 Katharina Kroll、Robert Amissah、Francesco Sillani、Kimberly Homan 和 Dimos Poulikakos。哈佛大学技术发展办公室（Office of Technology Development）以申报该项目有关的知识产权，并且正在商业化该技术。

该研究由科学学会 Branco Weiss 资金以及美国国家科学基金会通过哈佛大学材料科学与工程研究中心（MRSEC）资助。