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O mel é um exemplo prototípico de fluido viscoso, sendo 25 mil vezes mais viscoso que a água. A impressão acustoforética permite a formação de gotas de qualquer material, gerando a menor gota possível de mel em um minúsculo frasco de mel. Crédito: Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Universidade de Harvard
Pesquisadores da Universidade de Harvard desenvolveram um novo método de impressão que utiliza ondas sonoras para gerar gotículas de líquidos com uma gama de composição e viscosidade sem precedentes. Esta técnica poderia permitir a fabricação de muitos novos produtos biofarmacêuticos, cosméticos e alimentos, e expandir as possibilidades de materiais ópticos e condutores.
“Ao aproveitar as forças acústicas, criamos uma nova tecnologia que permite que uma miríade de materiais sejam impressos sob demanda”, disse Jennifer Lewis, Professora Hansjorg Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada na Harvard John A. Paulson School of Engenharia e Ciências Aplicadas e autor sênior do artigo. Lewis também é membro do corpo docente do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering e professor Jianming Yu de Artes e Ciências em Harvard.
A pesquisa está publicada em Avanços da Ciência.
Gotículas líquidas são usadas em muitas aplicações, desde tinta de impressão em papel até a criação de microcápsulas para administração de medicamentos. A impressão a jato de tinta é a técnica mais comum usada para modelar gotículas de líquidos, mas só é adequada para líquidos que são cerca de 10 vezes mais viscosos que a água. No entanto, muitos fluidos de interesse dos pesquisadores são muito mais viscosos. Por exemplo, soluções de biopolímeros e células carregadas, que são vitais para produtos biofarmacêuticos e bioimpressão, são pelo menos 100 vezes mais viscosas que a água. Alguns biopolímeros à base de açúcar podem ser tão viscosos quanto o mel, que é 25 mil vezes mais viscoso que a água.
A viscosidade desses fluidos também muda drasticamente com a temperatura e a composição, tornando cada vez mais difícil otimizar os parâmetros de impressão para controlar o tamanho das gotas.
“Nosso objetivo era tirar a viscosidade de cena, desenvolvendo um sistema de impressão que fosse independente das propriedades materiais do fluido”, disse Daniele Foresti, primeira autora do artigo, bolsista Branco Weiss e pesquisadora associada em ciência de materiais e engenharia mecânica no SEAS e no Wyss Institute.
Para fazer isso, os pesquisadores recorreram às ondas acústicas.
Graças à gravidade, qualquer líquido pode pingar – desde a água que sai de uma torneira até o experimento centenário de queda de piche. Somente com a gravidade, o tamanho das gotas permanece grande e a taxa de queda é difícil de controlar. O piche, que tem uma viscosidade cerca de 200 bilhões de vezes maior que a da água, forma uma única gota por década.
Ao controlar a posição do alvo, as gotículas ejetadas podem ser cuidadosamente depositadas e padronizadas em qualquer lugar. Neste exemplo, gotas de mel são modeladas em um substrato de vidro. Crédito: Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Universidade de Harvard
Para melhorar a formação de gotas, a equipe de pesquisa conta com a geração de ondas sonoras. Essas ondas de pressão normalmente têm sido usadas para desafiar a gravidade, como no caso da levitação acústica. Agora, os pesquisadores os utilizam para auxiliar a gravidade, batizando a nova técnica de impressão acustoforética.
Os pesquisadores construíram um ressonador acústico de comprimento de onda inferior que pode gerar um campo acústico altamente confinado, resultando em uma força de tração superior a 100 vezes as forças gravitacionais normais (1 G) na ponta do bocal da impressora – isso é mais de quatro vezes a força gravitacional na superfície do sol.
Essa força controlável puxa cada gota do bocal quando atinge um tamanho específico e a ejeta em direção ao alvo de impressão. Quanto maior a amplitude das ondas sonoras, menor será o tamanho das gotas, independentemente da viscosidade do fluido.
“A ideia é gerar um campo acústico que literalmente separe pequenas gotas do bocal, como se fosse colher maçãs de uma árvore”, disse Foresti.
Os pesquisadores testaram o processo em uma ampla gama de materiais, desde mel até tintas de células-tronco, biopolímeros, resinas ópticas e até metais líquidos. É importante ressaltar que as ondas sonoras não viajam através da gota, tornando o método seguro para uso mesmo com cargas biológicas sensíveis, como células vivas ou proteínas.
“Nossa tecnologia deverá ter um impacto imediato na indústria farmacêutica”, disse Lewis. “No entanto, acreditamos que esta se tornará uma plataforma importante para vários setores.”
“Este é um exemplo requintado e impactante da amplitude e alcance da pesquisa colaborativa”, disse Dan Finotello, diretor do programa Centros de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais (MRSEC) da National Science Foundation. “Os autores desenvolveram uma nova plataforma de impressão utilizando forças acústicas, que, ao contrário de outros métodos, são independentes do material e, portanto, oferecem uma enorme versatilidade de impressão. O espaço de aplicação é ilimitado.”
Esta pesquisa foi coautoria de Katharina Kroll, Robert Amissah, Francesco Sillani, Kimberly Homan e Dimos Poulikakos. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
A pesquisa foi financiada pela Society in Science através da Bolsa Branco Weiss e pela National Science Foundation através de Harvard MRSEC.
Referência: “Impressão acustoforética”, por Daniele Foresti, Katharina T. Kroll, Robert Amissah, Francesco Sillani, Kimberly A. Homan, Dimos Poulikakos e Jennifer A. Lewis, 31 de agosto de 2018, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.aat1659