Des lignes aux treillis — microarchitectures PDMS 2D et 3D haute résolution par impression jet d’aérosol

Construire de minuscules structures souples dans l’air

Imaginez pouvoir imprimer en 3D des structures souples et caoutchouteuses aussi fines qu’un cheveu humain — de minuscules ressorts, canaux et treillis capables de se mouvoir comme des muscles ou de guider des gouttes de sang. Cet article montre comment réaliser exactement cela avec un silicone courant appelé PDMS, en utilisant une méthode d’impression qui pulvérise des gouttelettes microscopiques dans l’air et les laisse solidifier en formes 3D délicates sans échafaudage de soutien. Ce travail ouvre la voie à de nouveaux types de robots mous, dispositifs médicaux et systèmes lab-on-a-chip auparavant très difficiles, voire considérés comme impossibles, à fabriquer.

Pourquoi il est difficile de fabriquer des formes souples en silicone

Le PDMS est un silicone transparent et flexible largement utilisé dans les dispositifs biomédicaux, les puces microfluidiques et la robotique molle parce qu’il est compatible avec les tissus, perméable aux gaz et résistant à l’usure. Jusqu’à présent, la plupart des pièces en PDMS étaient coulées dans des moules, ce qui fonctionne bien pour des formes plates ou simples mais peine à produire des architectures 3D complexes telles que des poutres en porte-à-faux, des treillis creux ou des canaux sinueux qui sortent du plan. Les approches d’impression existantes exigent soit des bains de soutien, des chimies complexes, soit donnent des pièces de faible résolution et résistance limitée. En bref, le domaine manquait d’une méthode simple et générale pour « dessiner dans l’espace » avec du PDMS à l’échelle microscopique.

Dessiner avec une brume concentrée de gouttelettes

Les chercheurs adaptent une technique appelée impression par jet d’aérosol, qui pulvérise habituellement des encres métalliques ou électroniques sur des surfaces, et reformulent le PDMS pour qu’il puisse être projeté sous forme d’une fine brume. Ils diluent le silicone avec un solvant pour obtenir une encre dont la viscosité est suffisamment faible pour être fragmentée en gouttelettes de 1 à 5 micromètres par un atomiseur ultrasonique. Un flux de gaz transporte ensuite ces gouttelettes jusqu’à une buse, où un second flux gazeux focalise la brume en un jet étroit bien plus petit que l’ouverture de la buse. Lorsque ce jet atteint une surface chauffée, le solvant s’évapore rapidement et les gouttelettes durcissent en PDMS solide. En balayant le substrat ou en restant immobile à un point, l’imprimante peut déposer des lignes précises en 2D ou empiler des gouttelettes verticalement pour faire pousser des piliers et des poutres en 3D.

Des lignes droites aux treillis dans l’espace

Pour rendre le procédé fiable, l’équipe cartographie systématiquement comment la température et la focalisation du gaz influent sur la largeur des lignes et la hauteur maximale construite. Sur des substrats chauffés jusqu’à 250 °C, ils obtiennent des lignes de PDMS d’environ 27 micromètres de large — à peu près le quart d’un cheveu humain — tout en conservant suffisamment d’épaisseur pour empiler plusieurs couches. Ils étudient ensuite jusqu’à quelle hauteur des micropiliers autoportants peuvent croître avant de commencer à s’évaser et perdre leur rectitude, et à quelle pente des éléments inclinés peuvent être imprimés sans fléchir. Les simulations montrent que, à mesure que le pilier s’élève, sa pointe se refroidit par rapport à la base ; au-delà d’une certaine hauteur, les gouttelettes ne durcissent plus assez vite, provoquant un sommet bulbeux. En ajustant les conditions d’impression, les auteurs atteignent des rapports d’aspect autour de 22 (hauteur 22 fois le diamètre) et peuvent imprimer des poutres inclinées à des angles aussi faibles que 36 degrés au-dessus de l’horizontale, le tout sans matériau de soutien temporaire.

Treillis souples, tuyaux minuscules et micropiliers magnétiques

Armés de cet espace de conception, les chercheurs construisent une gamme de microstructures. Ils impriment des treillis 3D en PDMS composés d’éléments d’intersection d’environ 87 micromètres d’épaisseur, puis les compressent des dizaines de milliers de fois jusqu’à 30–50 % de déformation. Les treillis reprennent leur forme avec peu de perte de performance, montrant une forte résistance à la fatigue et les rendant prometteurs comme composants mécaniques souples ou coussins protecteurs. En imprimant des piliers creux, ils créent des microcanaux autoportants qui transportent un fluide coloré sous pression sans fuir ni se décoller de la plaque métallique sous-jacente — essentiellement, de minuscules tuyaux 3D dessinés directement sur le matériel. Enfin, en mélangeant des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques à l’encre PDMS, ils impriment des piliers magnétiques qui se courbent vers un aimant proche et reviennent en place lorsque le champ est supprimé, évoquant des cils artificiels ou d’autres actionneurs mous répondant à des champs externes.

Au-delà d’un seul matériau : une voie générale vers de petits polymères 3D

Bien que le PDMS soit au centre de l’étude, la même recette d’impression fonctionne pour plusieurs autres polymères, depuis des silicones très souples jusqu’à des plastiques plus rigides et un matériau organique conducteur. Sans ré-optimisation lourde, l’équipe fabrique des micotreillis et des piliers en polyimide, Ecoflex, SU-8 et PEDOT:PSS, ce qui suggère que l’approche est largement applicable. Les exigences clés sont que l’encre puisse être atomisée en petites gouttelettes et que ces gouttelettes puissent se solidifier rapidement lorsqu’elles frappent une structure chaude. Cette polyvalence laisse entrevoir des dispositifs futurs où éléments souples, rigides et conducteurs sont imprimés ensemble dans une microarchitecture 3D unique.

Ce que cela signifie pour les futurs dispositifs souples

Concrètement, ce travail transforme le PDMS, matériau que l’on verse principalement dans des moules, en une matière que l’on peut « esquisser » librement en trois dimensions à l’échelle des vaisseaux sanguins et des cheveux. En combinant une encre de silicone pulvérisable et stable avec un contrôle précis de la chaleur et du flux de gouttelettes, les auteurs montrent qu’il est possible de construire en une seule étape des treillis délicats autoportants, des canaux fluides et des piliers activés magnétiquement, sans bains de soutien salissants. Pour la robotique molle future, les capteurs portables et les systèmes lab-on-a-chip, cela permet aux concepteurs de passer de couches plates à de véritables architectures 3D, intégrant plus de fonctions dans des dispositifs plus petits, plus souples et plus complexes.

Citation: 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

Mots-clés: impression jet d’aérosol, microstructures PDMS, robotique molle, microfluidique, treillis polymères 3D