De líneas a entramados: microarquitecturas 2D y 3D de PDMS de alta resolución mediante impresión por chorro de aerosol

Construyendo pequeñas estructuras blandas en el aire

Imagínese poder imprimir en 3D estructuras blandas y elásticas tan finas como un pelo humano: diminutos resortes, canales y entramados que podrían moverse como músculos o guiar gotas de sangre. Este artículo muestra cómo conseguir exactamente eso con una silicona popular llamada PDMS, usando un método de impresión que pulveriza diminutas gotas en el aire y permite que se solidifiquen en delicadas formas tridimensionales sin ningún andamiaje de soporte. El trabajo abre la puerta a nuevos tipos de robots blandos, dispositivos médicos y sistemas de laboratorio en un chip que antes eran muy difíciles, o incluso considerados imposibles, de fabricar.

Por qué es difícil fabricar formas blandas de silicona

El PDMS es una silicona transparente y flexible ampliamente utilizada en dispositivos biomédicos, chips microfluídicos y robótica blanda porque es compatible con tejidos, permite el paso de gases y resiste el desgaste. Hasta ahora, la mayoría de las piezas de PDMS se fabricaban por colado en moldes, lo que funciona bien para formas planas o simples pero tiene dificultades con arquitecturas 3D intrincadas como vigas en voladizo, entramados huecos o canales sinuosos que salen del plano. Los enfoques de impresión existentes o bien requieren baños de soporte, químicas complejas, o generan piezas con baja resolución y resistencia limitada. En resumen, el campo carecía de una forma simple y general de "dibujar en el espacio" con PDMS a escala microscópica.

Dibujar con una niebla focalizada de gotas

Los investigadores adaptan una técnica llamada impresión por chorro de aerosol, que normalmente pulveriza tintas metálicas o electrónicas sobre superficies, y reformulan el PDMS para que pueda atomizarse como una fina neblina. Diluyen la silicona con un disolvente para crear una tinta cuya viscosidad es lo bastante baja como para romperse en gotas de 1–5 micrómetros mediante un atomizador ultrasónico. Un flujo de gas transporta estas gotas hasta una boquilla, donde una segunda corriente de gas comprime la neblina en un chorro estrecho mucho más pequeño que la abertura de la boquilla. Cuando este chorro impacta en una superficie caliente, el disolvente se evapora rápidamente y las gotas curan para formar PDMS sólido. Al escanear el sustrato o permanecer en una posición fija, la impresora puede depositar líneas precisas en 2D o apilar gotas verticalmente para hacer crecer pilares y vigas en 3D.

De líneas rectas a entramados en el espacio

Para que el proceso sea fiable, el equipo cartografía sistemáticamente cómo la temperatura y el enfoque del gas afectan el ancho de las líneas y la altura de construcción. En sustratos calentados hasta 250 °C, logran líneas de PDMS de apenas unos 27 micrómetros de ancho—aproximadamente una cuarta parte de un pelo humano—con suficiente espesor para apilar múltiples capas. Luego estudian hasta qué altura pueden crecer micropilares autoportantes antes de que comiencen a ensancharse y perder su forma recta, y con qué inclinación se pueden imprimir puntales sin que se doblen. Las simulaciones muestran que, a medida que el pilar se eleva, su punta se enfría respecto a la base; por encima de cierta altura las gotas ya no curan lo bastante rápido, causando una parte superior abultada. Al ajustar las condiciones de impresión, los autores alcanzan relaciones de aspecto alrededor de 22 (altura 22 veces el diámetro) y pueden imprimir vigas con ángulos tan planos como 36 grados sobre la horizontal, todo sin material de soporte temporal.

Entrelazados blandos, tuberías diminutas y micropilares magnéticos

Con este espacio de diseño, los investigadores construyen una variedad de microestructuras. Imprimen entramados 3D de PDMS formados por puntales que se cruzan de solo ~87 micrómetros de grosor y luego los comprimen decenas de miles de veces hasta deformaciones del 30–50%. Los entramados vuelven a su forma con poca pérdida de rendimiento, mostrando una fuerte resistencia a la fatiga y haciéndolos prometedores como componentes mecánicos blandos o cojines protectores. Al imprimir pilares huecos, crean microcanales autoportantes que transportan fluidos coloreados bajo presión sin fugas ni desprendimientos de la placa metálica subyacente—esencialmente, diminutas tuberías 3D dibujadas directamente sobre el hardware. Finalmente, mezclando nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas en la tinta de PDMS, imprimen pilares magnéticos que se doblan hacia un imán cercano y regresan cuando se retira el campo, sugiriendo cilios artificiales u otros actuadores blandos que responden a campos externos.

Más allá de un material: un camino general hacia polímeros 3D diminutos

Aunque el PDMS es el foco principal, la misma receta de impresión funciona para varios otros polímeros, desde siliconas muy blandas hasta plásticos más rígidos y un material orgánico conductor. Sin una reoptimización profunda, el equipo fabrica micrentramados y pilares de poliimida, Ecoflex, SU-8 y PEDOT:PSS, lo que sugiere que el enfoque es ampliamente aplicable. Los requisitos clave son que la tinta pueda aerosolizarse en gotas pequeñas y que esas gotas puedan solidificarse rápidamente al impactar una estructura caliente. Esta versatilidad apunta a dispositivos futuros donde elementos blandos, rígidos y conductores se impriman juntos en una sola microarquitectura 3D.

Qué significa esto para futuros dispositivos blandos

En términos cotidianos, este trabajo convierte al PDMS de aquello que sobre todo se vierte en moldes en un material que se puede "bocetar" libremente en tres dimensiones a la escala de vasos sanguíneos y cabellos. Al combinar una tinta de silicona pulverizable y de larga vida con un control cuidadoso del calor y del flujo de gotas, los autores demuestran que se pueden construir entramados delicados autoportantes, canales fluidos y pilares accionados magnéticamente en un solo paso y sin baños de soporte desordenados. Para futuros robots blandos, sensores vestibles y sistemas lab-on-a-chip, esto significa que los diseñadores pueden pasar de capas planas a verdaderas arquitecturas 3D, empaquetando más funcionalidad en dispositivos más pequeños, más blandos y más intrincados.

Cita: Kushagr, S., Hu, C., Yuan, B. et al. From lines to lattices—high-resolution 2D and 3D PDMS microarchitectures via aerosol jet printing. npj Adv. Manuf. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00080-1

Palabras clave: impresión por chorro de aerosol, microestructuras de PDMS, robótica blanda, microfluidos, entramados poliméricos 3D