Ο πρώτος ακουστικός εκτυπωτής που λειτουργεί με ηχητικά κύματα

Ερευνητές της Σχολής Μηχανικής και Εφαρμοσμένης Επιστήμης και του Ινστιτούτου Wyss του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ στις ΗΠΑ, καθώς και ένας Έλληνας ερευνητής της διασποράς στην Ελβετία, ανακάλυψαν μία πρωτοποριακή μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης με τη βοήθεια του ήχου. Δημιούργησαν τον πρώτο εκτυπωτή που χρησιμοποιεί ακουστικά κύματα για να δώσει το επιθυμητό σχήμα σε σταγονίδια «μελάνης» διαφόρων παχύρρευστων υλικών.

Ο ακουστικός εκτυπωτής αναμένεται να χρησιμοποιηθεί μελλοντικά για τη σύνθεση (εκτύπωση) βιοφαρμακευτικών και καλλυντικών προϊόντων, καθώς επίσης τροφίμων, οπτικών και αγώγιμων υλικών κ.ά.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής την καθηγήτρια εμβιομηχανικής Τζένιφερ Λιούις, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science Advances», εκτύπωσαν με επιτυχία μικροκάψουλες με τη χρήση μίας μεγάλης γκάμας υγρών διαλυμάτων ως πρώτης ύλης (μελάνης), μεταξύ άλλων μελιού, βλαστοκυττάρων, ρητίνης, υγρών μετάλλων κ.ά.

Στην έρευνα συμμετείχε και ο ελληνικής καταγωγής καθηγητής Δήμος Πουλικάκος, διευθυντής του Εργαστηρίου Θερμοδυναμικής στις Αναδυόμενες Τεχνολογίες του Τμήματος Μηχανολόγων και Χημικών Μηχανικών της Ελβετικής Ομοσπονδιακής Πολυτεχνικής Σχολής (ΕΤΗ) της Ζυρίχης, ο οποίος είναι απόφοιτος του ΕΜΠ.

«Χειραγωγώντας τις ακουστικές δυνάμεις, δημιουργήσαμε μία νέα τεχνολογία που επιτρέπει την εκτύπωση μυριάδων υλικών σε μορφή σταγονιδίων. Η τεχνολογία μας θα έχει άμεση επίπτωση στη φαρμακευτική βιομηχανία, ενώ στην πορεία μπορεί να αποτελέσει μία σημαντική πλατφόρμα και για πολλές άλλες βιομηχανίες» δήλωσε η κ. Λιούις.

Μέχρι τώρα οι επιστήμονες είχαν χρησιμοποιήσει κύματα ήχου για να αψηφήσουν τη βαρύτητα και να ανυψώσουν σωματίδια δημιουργώντας κατάλληλες ηχητικές ελκτικές ακτίνες. Αυτήν τη φορά αξιοποίησαν τις ιδιότητες του ήχου για να κάνουν το ακριβώς αντίθετο, να ενισχύσουν τη βαρύτητα, και έτσι να βελτιώσουν την τεχνολογία εκτύπωσης.

Η διαθέσιμη μέχρι σήμερα τεχνολογία εκτύπωσης μέσω ψεκασμού μελάνης (inkjet) επιτρέπει την παραγωγή σχετικά μεγάλου μεγέθους μικροκαψουλών, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως όχημα για τη μεταφορά φαρμάκων στο σώμα. Όμως, μπορεί να χειρισθεί ρευστά με ιξώδες (πηκτότητα) μόνο έως δέκα φορές μεγαλύτερη του νερού.

Ο νέος εκτυπωτής είναι σε θέση να παράγει μικρότερες μικροκάψουλες και -το κυριότερο- από πολύ πιο παχύρρευστα και κολλώδη υλικά, όπως ορισμένα βιοπολυμερή, κυτταρικά διαλύματα κ.ά., που είναι 100 φορές πιο παχύρρευστα από ό,τι το νερό. Μερικά χρήσιμα βιοπολυμερή που περιέχουν σάκχαρα είναι τόσο κολλώδη όσο το μέλι, φθάνοντας να έχουν ιξώδες έως 25.000 φορές μεγαλύτερο του νερού. Έως τώρα αυτά τα υλικά δεν μπορούσαν να αξιοποιηθούν ως «μελάνη» για τρισδιάστατη εκτύπωση.

Τα ηχητικά κύματα επιταχύνουν τα σταγονίδια «μελάνης» ακόμη και πολύ παχύρρευστων υλικών, προσδίδοντάς τους πολύ μεγαλύτερη βαρύτητα από την κανονική, τουλάχιστον 100 φορές μεγαλύτερη από ό,τι το βαρυτικό πεδίο της Γης στο επίπεδο της θάλασσας.

«Η νέα τεχνική δημιουργεί ένα ακουστικό πεδίο, που κυριολεκτικά αποσπά τα μικροσκοπικά σταγονίδια από το ακροφύσιο, περίπου όπως τα μήλα πέφτουν από ένα δέντρο» δήλωσε ο ερευνητής Ντανιέλε Φορέστι.

Τα υγρά στάζουν, αλλά μόνο με τη δύναμη της βαρύτητας το μέγεθος που έχουν οι σταγόνες, είτε βγαίνουν από μία βρύση, είτε από ένα ακροφύσιο του εκτυπωτή, είναι μεγάλο και ο ρυθμός με τον οποίο βγαίνουν οι σταγόνες είναι δύσκολο να ελεγχθεί με ακρίβεια.

Χάρη, όμως, στα ηχητικά κύματα και στη νέα τεχνολογία με την ονομασία «acoustophoretic printing», μόλις μία σταγόνα «μελάνης» φθάσει στο ακροφύσιο του εκτυπωτή και έχει το επιθυμητό μέγεθος, εκτοξεύεται ταχύτατα και με ελεγχόμενο τρόπο. Όσο πιο ισχυρό είναι το ακουστικό πεδίο του εκτυπωτή, τόσο μικρότερη είναι η σταγόνα που μπορεί να εκτυπωθεί, άσχετα, μάλιστα, με το ιξώδες του χρησιμοποιούμενου ως «μελάνης» υλικού.

Επειδή τα ηχητικά κύματα δεν διαπερνούν τις σταγόνες, η μέθοδος είναι ασφαλής με βιολογικά ευαίσθητα υλικά, όπως ζωντανά κύτταρα και πρωτεΐνες.

Το Γραφείο Ανάπτυξης Τεχνολογίας του Χάρβαρντ κατέχει τα δικαιώματα διανοητικής ιδιοκτησίας και αναζητά ευκαιρίες εμπορικής αξιοποίησης της νέας τεχνολογίας.