線から格子へ—エアロゾルジェット印刷による高解像度2Dおよび3D PDMSマイクロアーキテクチャ

薄い空間に小さな柔らかい構造を組み立てる

髪の毛ほど細い柔らかいゴム状の構造体――小さなばね、チャネル、格子がまるで筋肉のように動いたり血液の一滴を導いたりする――を3Dプリントできると想像してみてください。本論文は、広く使われるシリコーン材料PDMSを用い、微小滴を空中に噴霧して支持材なしで繊細な3D形状に固化させるという手法で、まさにそれを実現する方法を示します。この成果は、従来は製造が困難、あるいは不可能と考えられていた新しい種類のソフトロボット、医療機器、ラボオンチップシステムの扉を開きます。

なぜ柔らかいシリコーン形状は作りにくいのか

PDMSは透明で柔軟なシリコーンで、組織に優しく気体透過性があり耐久性もあるため、生体医療機器、マイクロフルイディックチップ、ソフトロボティクスなどで広く使われています。これまでPDMS部品は主に型に流し込んで作られてきましたが、これは平面または単純な形状には有効でも、立ち上がる梁、空洞の格子、平面から伸びる入り組んだ通路のような複雑な3D構造には苦戦します。既存の印刷アプローチは支持浴が必要だったり、複雑な化学処理を要したり、解像度や強度が十分でなかったりします。要するに、微細スケールでPDMSを『空間に描く』ためのシンプルで汎用的な方法が欠けていたのです。

微小滴の集束ミストで描く

研究者たちは、通常は金属や電子インクを表面に噴霧するエアロゾルジェット印刷という技術を応用し、PDMSを細かなミストとして噴射できるように処方を改変しました。シリコーンを溶媒で希釈して、超音波アトマイザで1〜5マイクロメートルの滴に分かれるほど低粘度のインクを作ります。ガス流がこれらの微粒子をノズルまで運び、二次のガス流がミストをノズル開口よりもはるかに狭い細いジェットに絞ります。このジェットが加熱された基板に当たると溶媒が急速に蒸発し、滴は固化して固体のPDMSになります。基板を走査したり同じ場所に留めたりすることで、プリンタは2Dの精密な線を引いたり、垂直に滴を積み重ねて柱や梁を成長させて3Dを構築できます。

直線から空中の格子へ

プロセスを安定させるために、研究チームは温度とガス集束が線幅や積層高さに与える影響を系統的にマッピングしました。250°Cまで加熱した基板上で、彼らは幅約27マイクロメートルのPDMSラインを達成しました—これは人間の毛髪の約4分の1に相当し、なおかつ複数層を積み重ねるのに十分な厚みを得ています。次に、どれだけ高く自立する微小柱を成長させられるか、柱が広がって真っ直ぐさを失い始める高さや、垂直方向に近い傾斜を印刷してもたわまない角度を調べました。シミュレーションは、柱が高くなるにつれて先端が基部より冷えることを示しており、ある高さを超えると滴が十分に速く硬化せず頂部が球状に膨らむことを示します。印刷条件を調整することで、著者らはアスペクト比約22（高さが直径の22倍）を達成し、水平に対してわずか36度の浅い角度の梁を支持材なしで印刷できるようにしました。

柔らかい格子、小さなパイプ、磁性微小柱

この設計空間を活用して、研究者たちはさまざまなマイクロ構造を作り上げました。交差する支柱で構成される厚さ約87マイクロメートルの3D PDMS格子を印刷し、それを数万回にわたって30〜50%のひずみまで圧縮しました。格子は性能の低下がほとんどないまま復元し、高い疲労耐性を示しており、ソフトな機械部品や保護クッションとして有望です。空洞の柱を印刷することで、金属板上に描かれたまま剥離せずに圧力下で着色流体を運ぶ自立型マイクロチャネル、いわば小さな3Dパイプを作成しました。最後に、PDMSインクに超常磁性酸化鉄ナノ粒子を混ぜることで、近くの磁石に向かって曲がり、磁場が取り除かれると戻る磁性柱を印刷し、人工繊毛や外部磁場に応答する他のソフトロボット作動体の可能性を示しました。

一つの材料を超えて：小さな3Dポリマーへの汎用的な道

PDMSが主な焦点ではありますが、同じ印刷レシピは非常に柔らかいシリコーンから剛性の高いプラスチック、導電性有機材料に至るまでいくつかの他のポリマーでも機能します。大幅な再最適化を行わずとも、チームはポリイミド、Ecoflex、SU-8、PEDOT:PSSからマイクロ格子や柱を作製し、この手法が広く適用可能であることを示唆しています。重要な要件は、インクが微小滴にエアロゾル化できることと、温かい構造に当たったときに滴が素早く固化できることです。この多様性は、柔らかい要素、剛性要素、導電要素が単一の3Dマイクロアーキテクチャ内で一緒に印刷される将来のデバイスを示唆します。

未来のソフトデバイスにとっての意味

日常的に言えば、本研究はPDMSを主に型に流し込む材料から、血管や髪の毛のスケールで自由に三次元に『スケッチ』できる材料へと変えます。長寿命で噴霧可能なシリコーンインクと、熱や滴流の精密な制御を組み合わせることで、著者らは支持浴を使わずに繊細で自立する格子、流体チャネル、磁気駆動の柱を一度に形成できることを示しました。将来のソフトロボット、ウェアラブルセンサー、ラボオンチップシステムにとって、設計者は平面的な層から真の3Dアーキテクチャへ移行でき、より小さく、より柔らかく、より複雑な機能をデバイスに詰め込めるようになります。

引用: 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

キーワード: エアロゾルジェット印刷, PDMSマイクロ構造, ソフトロボティクス, マイクロフルイディクス, 3Dポリマー格子