Van lijnen naar rasters—hoge-resolutie 2D- en 3D-PDMS-microarchitecturen via aerosol jet printing

Het bouwen van kleine zachte structuren in de open lucht

Stel je voor dat je zachte, rubberachtige structuren zo dun als een mensenhaar kunt 3D-printen—kleine veren, kanalen en rasters die kunnen bewegen als spieren of druppels bloed kunnen begeleiden. Dit artikel laat precies zien hoe dat kan met een veelgebruikt silicone genaamd PDMS, met een printmethode die microscopische druppels in de lucht verstuift en ze laat uitharden tot kwetsbare 3D-vormen zonder ondersteunend raster. Het werk opent deuren voor nieuwe soorten zachte robots, medische apparaten en lab-on-a-chip-systemen die eerder moeilijk of zelfs onmogelijk te vervaardigen werden geacht.

Waarom zachte siliconenvormen moeilijk te maken zijn

PDMS is een heldere, flexibele silicone die veel wordt gebruikt in biomedische apparaten, microfluidische chips en soft robotics omdat het vriendelijk is voor weefsels, gassen doorlaat en slijtage verdraagt. Tot nu toe werden de meeste PDMS-onderdelen in mallen gegoten, wat goed werkt voor platte of eenvoudige vormen maar moeite heeft met ingewikkelde 3D-architecturen zoals overhangende balken, holle rasters of kronkelende kanalen die uit het vlak oprijzen. Bestaande printbenaderingen vereisen vaak ondersteunende baden, complexe chemie of leveren onderdelen met lage resolutie en beperkte sterkte. Kortom, het ontbrak aan een eenvoudige, algemene manier om met PDMS op microschaal ‘in de ruimte te tekenen’.

Tekenen met een gefocusseerde nevel van druppels

De onderzoekers passen een techniek aan die aerosol jet printing heet, normaal gebruikt om metalen of elektronische inks op oppervlakken te spuiten, en herschrijven PDMS zodat het als fijne nevel kan worden gejet. Ze verdunnen het silicone met een oplosmiddel om een inkt te maken met een viscositeit die laag genoeg is om in druppels van 1–5 micrometer te worden gebroken door een ultrasone atomizer. Een gasstroom vervoert deze druppels naar een nozzle, waar een tweede gasstroom de nevel samenperst tot een smalle jet die veel kleiner is dan de opening van de nozzle. Wanneer deze jet een heet oppervlak raakt, verdampt het oplosmiddel snel en harden de druppels uit tot vast PDMS. Door het substraat te scannen of op één plek te blijven, kan de printer precieze lijnen in 2D neerleggen of druppels verticaal stapelen om zuilen en balken in 3D op te bouwen.

Van rechte lijnen naar rasters in de ruimte

Om het proces betrouwbaar te maken, brengt het team systematisch in kaart hoe temperatuur en gasfocussing de lijnbreedte en bouwhoogte beïnvloeden. Op verwarmde substraten tot 250 °C bereiken ze PDMS-lijnen van slechts ongeveer 27 micrometer breed—ongeveer een kwart van een mensenhaar—terwijl toch voldoende dikte wordt gewonnen om meerdere lagen te stapelen. Ze bestuderen vervolgens hoe hoog vrijstaande micropilaren kunnen groeien voordat ze beginnen uit te flaren en hun rechte vorm verliezen, en hoe steil georiënteerde spanten kunnen worden geprint zonder door te buigen. Simulaties tonen dat naarmate de pilaar hoger wordt, de top relatief aan de basis afkoelt; boven een bepaalde hoogte verharden de druppels niet snel genoeg meer, wat een bolle top veroorzaakt. Door de printcondities af te stemmen, bereiken de auteurs aspectverhoudingen rond 22 (hoogte 22 keer diameter) en kunnen ze balken printen onder hoeken zo shallow als 36 graden boven horizontaal, allemaal zonder tijdelijk ondersteunend materiaal.

Zachte rasters, piepkleine buisjes en magnetische micropilaren

Met deze ontwerpruimte bouwen de onderzoekers een reeks microstructuren. Ze printen 3D-PDMS-rasters bestaande uit kruisende spanten van slechts ~87 micrometer dik en persen die vervolgens tienduizenden keren samen tot 30–50% strain. De rasters veren terug met weinig prestatieverlies, wat sterke vermoeidheidsbestendigheid aantoont en ze veelbelovend maakt als zachte mechanische componenten of beschermende kussens. Door holle zuilen te printen creëren ze vrijstaande microkanalen die gekleurde vloeistof onder druk vervoeren zonder te lekken of van de metalen plaat eronder los te laten—in wezen piepkleine 3D-buizen rechtstreeks op hardware getekend. Tenslotte, door superparamagnetische ijzeroxide-nanodeeltjes in de PDMS-inkt te mengen, printen ze magnetische zuilen die naar een nabijgelegen magneet buigen en terugveren wanneer het veld wordt verwijderd, wat wijst op kunstmatige ciliën of andere zachte robotactuatoren die reageren op externe velden.

Voorbij één materiaal: een algemene weg naar kleine 3D-polymeren

Hoewel PDMS de hoofdrol speelt, werkt hetzelfde printrecept ook voor verschillende andere polymeren, van zeer zachte silicones tot stijvere plastics en een geleidende organische stof. Zonder ingrijpende heroptimalisatie fabriceert het team microlattices en zuilen van polyimide, Ecoflex, SU-8 en PEDOT:PSS, wat suggereert dat de aanpak breed toepasbaar is. De belangrijkste vereisten zijn dat de inkt kan worden geaerosoliseerd in kleine druppels en dat die druppels snel kunnen verstenen wanneer ze een warm oppervlak raken. Deze veelzijdigheid wijst op toekomstige apparaten waarin zachte, stijve en geleidende elementen samen in één 3D-microarchitectuur worden geprint.

Wat dit betekent voor toekomstige zachte apparaten

In alledaagse woorden verandert dit werk PDMS van iets dat je meestal in mallen giet in een materiaal dat je vrijelijk in drie dimensies kunt ‘schetsen’ op schaal van bloedvaten en haren. Door een lang houdbare, sproeibare silicone-inkt te combineren met nauwkeurige controle van warmte en druppelstroom, tonen de auteurs aan dat je delicate, zelfdragende rasters, vloeistofkanalen en magnetisch aangedreven zuilen in één stap en zonder rommelige supportbaden kunt bouwen. Voor toekomstige zachte robots, draagbare sensoren en lab-on-a-chip-systemen betekent dit dat ontwerpers kunnen overstappen van platte lagen naar echte 3D-architecturen, waardoor meer functionaliteit in kleinere, zachtere en complexere apparaten kan worden gepropt.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: aerosol jet printing, PDMS-microstructuren, soft robotics, microfluidica, 3D-polymeer-lattices