מפשוטות לקווים לרשתות — מיקרו-ארכיטקטורות PDMS דו‑ממדיות ותלת‑ממדיות ברזולוציה גבוהה באמצעות הדפסת איירוזול ג'ט

בונים מבנים רכים זעירים באוויר הדק

דמיינו היכולת להדפיס בתלת‑ממד מבנים רכים וגמישים בעובי כשערת אדם — קפיצים זעירים, תעלות ורשתות שיכולות לנוע כמו שרירים או להוביל טיפות דם. מאמר זה מראה בדיוק איך לעשות זאת עם סיליקון פופולרי בשם PDMS, באמצעות שיטה שמרססת טיפות מיקרוסקופיות לאוויר ומאפשרת להן להתקשות לצורות תלת‑ממדיות עדינות ללא תבנית תומכת. העבודה פותחת דלתות לסוגי רובוטים רכים, מכשירים רפואיים ומערכות מעבדה‑על‑שבב שהיו עד כה קשים מאוד או נתפסו כבלתי ניתנים לייצור.

למה קשה ליצור צורות רכות מסיליקון

PDMS הוא סיליקון שקוף וגמיש הנפוץ במכשור ביורפואי, שבבי מיקרו‑נוזליות ורובוטיקה רכה, משום שהוא עדין לרקמות, מאפשר חדירת גזים ועמיד בשחיקה. עד עכשיו רוב חלקי ה‑PDMS נשפכו לתבניות, שיטה שמוצלחת לצורות שטוחות או פשוטות אך מתקשה עם ארכיטקטורות תלת‑ממד מורכבות כמו קורות תלויות, רשתות חלולות או תעלות מתפתלות שעולות מהמישור. שיטות הדפסה קיימות דורשות אמבטיות תמיכה, כימיה מורכבת או מניבות חלקים ברזולוציה נמוכה וחוזק מוגבל. בקיצור, חסרה שיטה פשוטה וכללית ל"לשֶׁרֶט במרחב" עם PDMS בקני מידה מיקרוסקופיים.

ציור בערפל מרוכז של טיפות

החוקרים מתאימים טכניקה הנקראת הדפסת איירוזול ג'ט, שבדרך כלל מרססת דיו מתכתי או אלקטרוני על משטחים, ומשנים את פורמולציית ה‑PDMS כך שתוכל להיות ממוּסרת כערפל דק. הם מדללים את הסיליקון בממיס ליצירת דיו בצמיגות נמוכה מספיק כדי להיות מפורק לטיפות בקוטר 1–5 מיקרומטר על‑ידי אטומייזר אולטרסוני. זרימת גז נושאת את הטיפות לנוזלית, שם זרם גז שני מכווץ את הערפל לזרם צר שקטן בהרבה מפתח הנוזלית. כשהזרם פוגע במשטח מחומם, הממיס מתאדות במהירות והטיפות מתקשות ל‑PDMS מוצק. על‑ידי סריקה של המתאם או הישארות במקום, המדפסת יכולה לפרוס קווים מדויקים ב‑2D או לערום טיפות אנכית כדי לגדל עמודים וקורות לתוך ה‑3D.

מ‑קווים ישרים לרשתות בחלל

כדי להפוך את התהליך לאמין, הצוות מיפוי שיטתי של איך טמפרטורה ומיקוד הגז משפיעים על רוחב הקו וגובה הבנייה. על מצעים מחוממים עד 250 °C הם משיגים קווי PDMS ברוחב כ‑27 מיקרומטר בלבד — כ‑רבע מעובי שערה אנושית — בעוד שבאותו זמן מקבלים עובי מספק לערימת שכבות מרובות. לאחר מכן הם בוחנים עד כמה עמודים מיקרוסקופיים עומדים חופשיים יכולים לגדול לפני שהם מתחילים להתרחב ולאבד את צורתם הישרה, וכמה בזויות תלולות אפשר להדפיס קורות מבלי לשקוע. סימולציות מראות שכאשר העמוד עולה, קצהו מתקרר יחסית לבסיס; מעל גובה מסוים הטיפות כבר אינן מתקשות מספיק מהר, מה שגורם לחלק עליון בלון. על‑ידי כוונון תנאי ההדפסה, המחברים מגיעים למקדם צורה של כ‑22 (גובה פי 22 מקוטר) ויכולים להדפיס קורות בזוויות תלולות עד 36 מעלות מעל אופקית, כל זאת ללא חומר תמיכה זמני.

רשתות רכות, צינורות זעירים ועמודים מגנטיים

מצוידים במרחב העיצוב הזה, החוקרים בונים מגוון מיקרו‑מבנים. הם מדפיסים רשתות PDMS תלת‑ממדיות העשויות קורות מצטלבות בעובי של כ‑87 מיקרומטר בלבד ולאחר מכן לוחצים עליהן עשרות אלפי פעמים עד למתיחה של 30–50%. הרשתות חוזרות למצבן עם אובדן ביצועים מועט, מציגות עמידות עייפות חזקה והופכות אותן למבטיחות כרכיבים מכניים רכים או כריפודים מגן. בהדפסת עמודים חלולים הם יוצרים תעלות מיקרו עומדות שמובילות נוזל צבעוני בלחץ ללא דליפה או התקלפות מהצלחת המתכת שמתחת — במעין צינורות תלת‑ממד זעירים הנמשכים ישירות על החומר. לבסוף, על‑ידי ערבוב ננו‑חלקיקי תחמוצת ברזל סופרפרמגנטית בתוך דיו ה‑PDMS, הם מדפיסים עמודים מגנטיים שמתכופפים לכיוון מגנט סמוך וחוזרים כשהשדה מוסר, מה שמעיד על אפשרות לציליה מלאכותית או לפתרים אחרים של רובוטיקה רכה המגיבים לשדות חיצוניים.

מעבר לחומר יחיד: נתיב כללי לפולימרים תלת‑ממדיים זעירים

למרות ש‑PDMS נמצא במרכז, מתכון ההדפסה אותו הדבר עובד גם למספר פולימרים אחרים, מרככות סיליקון ועד פלסטיקים נוקשים יותר וחומר אורגני מוליך. ללא אופטימיזציה כבדה מחדש, הצוות מייצר מיקרורשתות ועמודים מפולימיד, Ecoflex, SU‑8 ו‑PEDOT:PSS, מה שמרמז שהגישה ישימה באופן רחב. הדרישות המרכזיות הן שהדיו יוכל להיות מאאורולזלי (אאורוליזציה) לטיפות קטנות ושאותן טיפות יוכלו להתמצק במהירות כשנוגעות במבנה חם. הרבגוניות הזו מרמזת על מכשירים עתידיים שבהם אלמנטים רכים, קשים ומוליכים מודפסים יחד בתוך ארכיטקטורה מיקרו‑תלת‑ממדית אחת.

מה זה אומר למכשירים רכים בעתיד

במונחים יומיומיים, עבודה זו הופכת את ה‑PDMS ממשהו שמרביתו נשפך לתבניות לחומר שאפשר "לשרטט" בחופשיות בתלת‑ממד בקנה מידה של כלי דם ושערה. בשילוב דיו סיליקוני מרוסס בעל חיים ארוך ושליטה מדויקת בחום וזרימת טיפות, המחברים מראים שניתן לבנות רשתות דקות נתמכות בעצמן, ערוצים נוזליים ועמודים מונעי שדה מגנטי בצעד אחד וללא אמבטיות תמיכה מבולגנות. לרובוטים רכים עתידיים, חיישנים לבישים ומערכות מעבדה‑על‑שבב, זה אומר שמעצבים יכולים לעבור משכבות שטוחות לארכיטקטורות תלת‑ממד אמיתיות, לארוז יותר פונקציות בתוך מכשירים קטנים, רכים ומורכבים יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: הדפסת איירוזול ג'ט, מיקרו‑מבנים של PDMS, רובוטיקה רכה, מיקרו‑נוזליות, רשתות פולימר תלת‑ממדיות