Dalle linee alle reticoli—microarchitetture PDMS 2D e 3D ad alta risoluzione tramite aerosol jet printing

Costruire piccole strutture morbide nell’aria sottile

Immaginate di poter stampare in 3D strutture morbide e gommose sottili quanto un capello umano—piccole molle, canali e reticoli che possono muoversi come muscoli o guidare gocce di sangue. Questo articolo mostra come fare esattamente ciò con un silicone diffuso chiamato PDMS, usando un metodo di stampa che spruzza microscopiche goccioline nell’aria e le lascia solidificare in fragili forme 3D senza alcuna impalcatura di supporto. Il lavoro apre la strada a nuove tipologie di robot morbidi, dispositivi medici e sistemi lab-on-a-chip che prima erano molto difficili, o addirittura ritenuti impossibili, da fabbricare.

Perché è difficile realizzare forme morbide in silicone

Il PDMS è un silicone trasparente e flessibile largamente usato in dispositivi biomedicali, chip microfluidici e robotica morbida perché è compatibile con i tessuti, permeabile ai gas e resistente all’usura. Finora la maggior parte dei pezzi in PDMS venivano colati in stampi, una soluzione efficace per forme piatte o semplici ma che fatica con architetture 3D intricate come travi sporgenti, reticoli cavi o canali tortuosi che si sollevano dal piano. Gli approcci di stampa esistenti richiedono spesso bagni di supporto, chimiche complesse o producono pezzi con bassa risoluzione e forza limitata. In breve, mancava un modo semplice e generale per “disegnare nello spazio” con il PDMS su scala microscopica.

Disegnare con una nebbia focalizzata di goccioline

I ricercatori adattano una tecnica chiamata aerosol jet printing, che normalmente spruzza inchiostri metallici o elettronici su superfici, e riformulano il PDMS in modo che possa essere erogato come una fine nebbia. Diluiscono il silicone con un solvente per creare un inchiostro la cui viscosità è abbastanza bassa da essere frammentata in goccioline da 1–5 micrometri da un atomizzatore ultrasonico. Un flusso di gas trasporta poi queste goccioline fino a un ugello, dove un secondo flusso di gas comprime la nebbia in un getto stretto molto più piccolo dell’apertura dell’ugello. Quando questo getto colpisce una superficie calda, il solvente evapora rapidamente e le goccioline polimerizzano in PDMS solido. Scansionando il substrato o sostando in un punto, la stampante può depositare linee precise in 2D o impilare goccioline verticalmente per far crescere pilastri e travi in 3D.

Dalle linee rette ai reticoli nello spazio

Per rendere il processo affidabile, il team mappa sistematicamente come temperatura e focalizzazione del gas influenzano la larghezza delle linee e l’altezza delle strutture. Su substrati riscaldati fino a 250 °C, ottengono linee di PDMS larghe solo circa 27 micrometri—circa un quarto di un capello umano—pur mantenendo spessore sufficiente per impilare più strati. Studiano poi quanto in alto possono crescere micropilastri autoportanti prima che inizino a svasarsi e perdere la forma diritta, e quanto ripide possono essere le staffe stampate senza tendere a flettersi. Le simulazioni mostrano che mentre il pilastro si innalza, la sua punta si raffredda rispetto alla base; oltre una certa altezza le goccioline non polimerizzano più abbastanza in fretta, causando una sommità bulbosa. Sintonizzando le condizioni di stampa, gli autori raggiungono rapporti d’aspetto intorno a 22 (altezza pari a 22 volte il diametro) e possono stampare travi ad angoli bassi fino a 36 gradi sopra l’orizzontale, il tutto senza materiale di supporto temporaneo.

Reticoli morbidi, tubi minuscoli e micropilastri magnetici

Con questo spazio di progettazione, i ricercatori costruiscono una gamma di microstrutture. Stampano reticoli 3D in PDMS costituiti da aste intrecciate spesse solo ~87 micrometri e li comprimono decine di migliaia di volte fino a deformazioni del 30–50%. I reticoli ritornano alla forma iniziale con scarsa perdita di prestazioni, mostrando una forte resistenza a fatica e rendendoli promettenti come componenti meccanici morbidi o cuscinetti protettivi. Stampando pilastri cavi, creano microcanali autoportanti che convogliano un fluido colorato sotto pressione senza perdite né distacchi dalla piastra metallica sottostante—essenzialmente, minuscoli tubi 3D disegnati direttamente su un supporto. Infine, miscelando nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche nell’inchiostro PDMS, stampano pilastri magnetici che si piegano verso un magnete vicino e ritornano quando il campo viene rimosso, suggerendo possibilità per ciglia artificiali o altri attuatori morbidi che rispondono a campi esterni.

Oltre un singolo materiale: una via generale per polimeri 3D minuti

Sebbene il PDMS sia il focus principale, la stessa ricetta di stampa funziona per diversi altri polimeri, da siliconi molto morbidi a plastiche più rigide e a un materiale organico conduttivo. Senza ampie ricalibrazioni, il team fabbrica micreticoli e pilastri da poliimmide, Ecoflex, SU-8 e PEDOT:PSS, suggerendo che l’approccio è ampiamente applicabile. I requisiti chiave sono che l’inchiostro possa essere aerosolizzato in piccole goccioline e che queste goccioline possano solidificare rapidamente quando colpiscono una struttura calda. Questa versatilità suggerisce dispositivi futuri in cui elementi morbidi, rigidi e conduttivi siano stampati insieme in una singola microarchitettura 3D.

Cosa significa per i dispositivi morbidi del futuro

In termini pratici, questo lavoro trasforma il PDMS da qualcosa che di solito si colava in stampi in un materiale che si può “schizzare” liberamente in tre dimensioni alla scala dei vasi sanguigni e dei capelli. Combinando un inchiostro siliconico spruzzabile e duraturo con un controllo accurato di calore e flusso di goccioline, gli autori dimostrano che è possibile costruire in un solo passaggio reticoli delicati e autoportanti, canali fluidici e pilastri a comando magnetico senza bagni di supporto ingombranti. Per robot morbidi futuri, sensori indossabili e sistemi lab-on-a-chip, ciò significa che i progettisti possono passare da strati piatti a vere architetture 3D, concentrando più funzionalità in dispositivi più piccoli, più morbidi e più complessi.

Citazione: 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

Parole chiave: aerosol jet printing, microstrutture PDMS, robotica morbida, microfluidica, reticoli polimerici 3D