喷墨技术的跨界革命:从印刷到DNA阵列与3D打印

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喷墨技术的跨界革命:从印刷到DNA阵列与3D打印

早在1980年代初,办公室里常能听见各种机器的声响——那是IBM电动打字机在咔咔作响,菊轮打印机在哒哒作响,还有点阵打印机发出嘶嘶的声响。时至今日,这些声音早已听不到了。即便现在人们花更多时间看屏幕,纸张打印却依然没有停歇。这一切安静的根源,其实是喷墨打印机逐渐普及的结果。

喷墨打印机的打印头承担着一项不简单的任务。哪怕是最早的机型,分辨率为96点每英寸(dpi),点与点之间的距离也有260微米。要打印一张标准信纸,需要用到超过50万个独立的墨滴。整个过程高度依靠微机电系统(MEMS),这种技术是把微小运动部件集成在电子装置中。

这些年里,喷墨系统的技术参数一直在进步。1980年代中期,一个典型的喷墨打印头配备12个喷嘴,每秒钟最多能喷射1350个墨滴;到了今天,高端商业印刷机的喷墨打印头可以拥有多达21000个喷嘴,每个喷嘴每秒能打印2万到15万个点,每滴墨水大概只有1.5皮升,直径大约14微米。

喷墨技术的发展已经超出了最初设计者的预料,它现在能用在很多纸张打印以外的领域:比如基因组学中DNA微阵列的制造、印刷电路板导电线路的制作,还有3D打印结构的构建。未来还可能应用到个性化医疗和先进电池的研发上。目前,仅仅搜索包含"喷墨"这项词的专利,就能找到超过9.2万条相关记录。

喷墨技术的成长足迹

喷墨技术的历史最早可以追溯到1948年,瑞典发明家鲁内·埃尔姆奎斯特为一种连续喷墨的图表记录仪申请了专利。1965年,斯坦福大学的理查德·斯威特研发出一种将墨水喷射分成带电墨滴流的图表记录仪,这就是"连续喷墨"技术的原始形态,1976年被IBM用在商业打印机IBM 6640上。不过,连续喷墨因为墨水蒸发快的问题,使用上受到了限制。

为了解决墨水浪费的难题,"按需喷墨"技术被创造出来——每个喷嘴每次只喷出一滴墨水。1970年代末,西门子推出了按需喷墨打印机,其PT80i终端使用压电致动器驱动12个喷嘴,每秒能打印270个字符。压电器件利用铅锆钛酸铅(PZT)等材料在通电后发生形变的特点,让双晶片弯曲,把墨水从喷嘴中推出。

DNA微阵列:喷墨技术在基因组学中的用途

随着喷墨打印的商业化越来越成熟,一些企业开始探索它在非纸张材料上的应用可能。安捷伦技术公司(惠普的分拆企业)开发出一种利用喷墨打印制作DNA微阵列的方法,这主要用于基因组学研究,比如检测生物体在不同条件下的基因表达情形。

DNA微阵列由玻璃片上很多微小区域(称为"点")组成,每个点上附着着数百万条相同序列的单链DNA。安捷伦的阵列能在一块2.5×7.6厘米的玻璃片上集成高达100万个点。当样品中的互补链流过这些点时,互补碱基就会相互结合(C配G,A配T)。由于样品链带有荧光分子,通过检查哪些点发光,就能知道样品里有哪些DNA序列。

在阵列制造时,打印头会对基底进行多次扫描,每次都在各点末端加上一个碱基。添加碱基分三步:首先去除链末端的保护帽,然后在各点喷上含有新碱基单体的墨水,最后加氧化剂来巩固新形成的键合。开源喷墨方案让研究人员能在一天内完成阵列设计、合成和DNA分析。安捷伦还用喷墨系统合成了寡核苷酸文库,得到的链长能到约230个碱基。

3D打印:喷墨技术的立体构建功能

喷墨技术也被广泛用到三维物体的制造上。惠普的Multi Jet Fusion(MJF)3D打印系列采用粉末床工艺,通过同时喷射"结合促进剂"和"细节控制剂"两种墨水,再用光照加热粉末,将目标区域熔合定型。成型后,通过压缩空气和真空吸管去除未熔合的粉末,就能得到三维物体,可用尼龙、聚丙烯或聚氨酯等材料打印,最大体积能到38×28×38厘米。

日本美冈(Mimaki)工程公司则采取了完全不同的路线:其3D打印机使用压电喷墨头喷射光固化树脂,每层打印完后以紫外线LED进行固化。

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