Drucken mit Schall

Schallwellen als Druckhilfe: Forscher haben eine Drucktechnik entwickelt, mit der Elektronikteile, medizinische Mikrokapseln oder optische Materialien einfacher hergestellt werden können als bisher. Denn beim akustophoretischen Drucken sorgen Schallwellen dafür, dass selbst zähflüssige Materialien als maßgeschneiderte Tröpfchen gedruckt werden. Sogar sensible Zelllösungen könnten so künftig in Form gebracht werden, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.

Drucken ist längst mehr als nur eine Methode, Text und Bilder auf Papier zu bringen. Durch Drucktechniken wie den 3D-Druck werden maßgeschneiderte Elektronik und Magnete produziert, aber auch Implantate, Mikrokapseln und Gewebe für die Medizin oder sogar Bauteile für Flugzeuge. Selbst Lebensmittel haben Forscher bereits mittels Drucker hergestellt.

Problem bei zähflüssigen Materialien

Bei einer Anwendung jedoch haperte es bisher: dem Drucken von Tröpfchen aus zähflüssigen Materialien, wie sie beispielsweise für Zelllösungen oder Biopolymere in biomedizinischen Anwendungen benötigt werden. Diese Lösungen haben meist eine mindestens 100-fach höhere Viskosität als Wasser, einige sind sogar noch zähflüssiger. Für gängige Tintenstrahl- oder elektrohydrodynamische Drucktechniken sind sie daher nicht geeignet, wie Daniele Foresti von der Harvard University und seine Kollegen erklären.

„Unser Ziel war es daher, ein Drucksystem zu entwickeln, dass unabhängig von den Materialeigenschaften der Flüssigkeit funktioniert“, erklärt Foresti. Die Idee: Sie nutzen Schallwellen, um zähflüssige Tropfen aus den Düsen zu ziehen und in die passende Größe zu bringen. Denn schon länger ist bekannt, dass akustische Felder eine Kraft auf Objekte ausüben und sie sogar zum Schweben bringen können.

Mithilfe des Schalldruckens lassen sich beispielsweise Speziallinsen aus Polymertröpfchen herstellen. © Daniele Foresti, Jennifer Lewis/ Harvard University

Schalldruck als formende Kraft

Für ihren „Schall-Drucker“ bauten die Forscher einen akustischen Resonator, der mithilfe von Ultraschallwellen ein fokussiertes, durch Resonanz extrem verstärktes akustisches Feld erzeugt. Dieses Feld kann Frequenzen von bis zu einem Megahertz erreichen und übt eine Kraft aus, die die Schwerkraft an der Druckerdüse um das Hundertfache übertreffen kann, wie Foresti und seine Kollegen berichten.

Der Schalldruck zertrennt zähflüssige Materialien an der Druckdüse in feine Tröpfchen und kann sie sogar gezielt in bestimmte Richtungen lenken. „Indem wir diese akustischen Kräfte für unsere Zwecke einspannen, haben wir eine neue Technologie geschaffen, mit der unzählige Materialien in maßgeschneiderten Tröpfchen gedruckt werden können“, sagt Forestis Kollegin Jennifer Lewis.

Honig, Zelllösungen und sogar Metall

In ersten Tests zeugten sie und ihr Team mit diesem akustophoretischen Drucken verschieden große Tröpfchen aus Honig, Stammzell-Lösungen, Biopolymeren, Harzen und sogar flüssigem Metall. Mit der neuen Drucktechnik könnten Elektronikbestandteile, aber auch pharmazeutische Kapseln oder biomedizinische Testkits einfacher als bisher produziert werden, sagen die Wissenschaftler.

Auch eine Mikrolinse aus einer Anordnung optisch aktiver Harze haben sie bereits erzeugt. Weil die intensiven Schallwellen zu mehr als 99,9 Prozent an der Tropfenoberfläche reflektiert werden, werden zudem lebende Zellen oder sensible Moleküle in den Lösungen nicht geschädigt, wie die Forscher berichten.

„Unsere Technologie könnte unmittelbare Bedeutung für die pharmazeutische Industrie sein“, so Lewis. „Aber wir glauben, dass diese Technik auch für andere Industrien eine wichtige Plattform werden könnte.“ (Science, Advances, 2018; doi: 10.1126/sciadv.aat1659)

(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, 03.09.2018 – NPO)