[工艺] 声光刻技术 (Sonolithography) 成型原理介绍

声光刻技术(Sonolithography)基于超声驻波干扰产生的声辐射力对空气中颗粒/液滴直接积聚的应用。超声波光刻技术能够在宏观尺度 (cm2) 表面积上的各种基板上快速形成微米至毫米级材料的图案，并且可用于间接和直接细胞图案化。该技术是由布里斯托大学和巴斯大学的研究人员于 2020 年发明。

视频来源：Bath CompSci

科学家们使用计算机控制的超声波，利用气溶胶液滴或颗粒在表面上创建了精确的预定图案。这项技术被称为超声波光刻技术，可以在空气中大规模地形成密集的材料云，并通过算法控制材料如何形成形状。研究人员相信，该技术可以彻底改变印刷，提高空气中非接触式图案技术的速度、成本和精度。

超声波光刻技术(Sonolithography)可以在表面上对细胞和生物材料进行温和、非接触式的快速图案化。组织工程可以使用生物制造方法来构建细胞和材料的明确结构。被操纵的物体只有云中水滴的大小。通过如此精细的控制移动如此小的物体的能力可以使气溶胶喷雾的方向在药物输送或伤口愈合等应用中具有极其精确的方向。

除了生物医学应用之外，该技术还适用于多种材料。印刷电子是该团队正在开发的另一个领域，利用超声波光刻技术将导电墨水排列到电路和组件中。

超声波光刻技术的工作原理：
a) 声光刻工艺的示意图。在液体材料的情况下，产生液滴，穿过由超声波驻波产生的声压场，并在基板上沉积成图案。显示较大蓝色粒子在最小振幅点处的节点定位。
b) 可以通过声辐射力的模拟（详细信息参见支持信息）来预测该模式。此处显示了四个传感器对的模拟压力，这些传感器对排列成八边形，传感器之间的间距为 5λ（43 毫米）。中心的 25 mm × 25 mm 方形感兴趣区域以绿色勾勒，与实验图像相对应。零声压区域（节点）为黑色，最大声压区域（波腹）为白色。
c) 视频（视频 S1，支持信息）中使用八角形阵列将雾化水图案化到水敏纸上的静态图像，拍摄于t = 15 秒，图案变得清晰。对比度已增强，易于可视化。
d) 雾化水 ( ∅ 1–5 µm)、从按需液滴 (DOD) 发生器分配的水 ( ∅ 25 µm) 和彩砂 ( ∅ 0.5–1 mm) 已使用相同的八角形阵列进行图案化。雾化水定位于波腹，而 DOD 水和沙定位于节点。对于组合水图像（左下），雾化水和 DOD 生成水（此处，∅80 µm）已连续图案化到同一张水敏纸上。沙子（重新着色为红色）和雾化水（灰度）的照片经过对比度增强和叠加（右下），以展示这些颗粒的不同物理排列。
e) 进行图像分析，将水和沙子的沉积模式与 (b) 中的模拟压力进行比较。雾化（绿色）和 DOD 水（蓝色）和沙子（红色）的灰度照片的径向平均像素强度根据距中心的距离绘制。像素强度已标准化为最暗区域的最大强度，使得峰值对应于图案材料密度最大的区域。还显示了模拟声压（黑色虚线）。

超声波光刻作为间接和直接细胞图案化的工具
a) GFP-HUVEC 的平铺扫描，在接种到 I 型胶原图案基质上一周后。
b）（a）中白框标记的区域的更高放大倍数，以显示中心波腹和第一个波腹环中的单个细胞。
c) 使用 80 µm DOD 分配器对 GFP-HUVEC 进行图案化后，未经处理的培养皿基底的中心节点的放大图像。单个细胞可以被观察为液滴内的暗球；示例由红色箭头指示。
d) 图案化后 1 天，对通过 DOD 发生器沉积到 I 型胶原涂层培养皿上的细胞进行平铺扫描。当沉积在 I 型胶原蛋白包被的培养皿上时，含有细胞的液滴会扩散。声场使所形成的液体层的表面变形。

使用超声波光刻图案化的各种材料和基板的示例
a)纸上雾化的碳基导电油墨和发泡聚苯乙烯珠 ( ∅ ≈1.5 mm)。
b) 在纸上雾化荧光笔液，用手持黑光灯照射。
c) 将蔗糖水溶液雾化在玻璃上。
d) 将水雾化在脱水海藻酸钙膜上。黑色箭头表示从中心算起的第二个波腹。
e) 在封口膜上雾化水。

f) 用砂观察到的尺寸偏析效应。较小的尘埃碎片已被图案化到中心波腹。所有图像中的比例尺均为 1 厘米。

超声波光刻技术的应用
声光刻技术是生物制造的一部分。可以想到的应用领域包括气雾喷雾剂的生产（其精度达到了前所未有的水平），以及药物输送和伤口愈合。该技术可应用于多种材料。超声波光刻技术还可用于电子零件的生产。电路也可以用导电油墨印刷。

与其他3D打印工艺的比较
FDM 或 SLA 等传统 3D 打印方法逐层构建材料，而超声波光刻则使用超声波以非接触方式定位材料。这可以实现更高的精度和速度。但目前改技术还处于早期研究阶段，材料选择限制，且控制算法的复杂。