Od linii do sieci — mikrowarstwy 2D i 3D z PDMS o wysokiej rozdzielczości metodą aerosol jet printing

Budowanie drobnych miękkich struktur w powietrzu

Wyobraź sobie możliwość drukowania 3D miękkich, gumowatych struktur tak cienkich jak ludzki włos — maleńkie sprężyny, kanały i sieci, które mogą poruszać się jak mięśnie lub kierować kroplami krwi. W artykule pokazano, jak zrobić to dokładnie przy użyciu popularnego silikonu PDMS, stosując metodę drukowania, która rozpylając mikroskopijne krople w powietrzu pozwala im utwardzić się w delikatne formy 3D bez żadnego rusztowania wspierającego. Praca otwiera drzwi dla nowych typów miękkich robotów, urządzeń medycznych i systemów lab-on-a-chip, które wcześniej były bardzo trudne, a nawet uważane za niemożliwe do wytworzenia.

Dlaczego trudno tworzyć silikonowe kształty

PDMS to przezroczysty, elastyczny silikon szeroko stosowany w urządzeniach biomedycznych, układach mikroprzepływowych i miękkiej robotyce, ponieważ jest biokompatybilny, przepuszcza gazy i wytrzymuje zużycie. Do tej pory większość elementów z PDMS odlewano w formach, co sprawdza się przy płaskich lub prostych kształtach, ale ma problemy z misternymi architekturami 3D, takimi jak zwisające belki, puste sieci czy kręte kanały wychodzące poza płaszczyznę. Istniejące metody druku wymagają kąpieli podporowych, złożonych chemii albo dają części o słabej rozdzielczości i ograniczonej wytrzymałości. Krótko mówiąc, brakowało prostego, uniwersalnego sposobu „rysowania w przestrzeni” z PDMS w skali mikroskopowej.

Rysowanie skupioną mgiełką kropelek

Naukowcy zaadaptowali technikę zwaną aerosol jet printing, która zwykle nanoszona jest do metali lub tuszy elektronicznych na powierzchnie, i przeformułowali PDMS tak, by można go było rozpylać w postaci drobnej mgiełki. Rozcieńczyli silikon rozpuszczalnikiem, tworząc tusz o wystarczająco niskiej lepkości, by ultradźwiękowy atomizer rozbił go na krople o średnicy 1–5 mikrometrów. Strumień gazu przenosi następnie te krople do dyszy, gdzie drugi strumień gazu skupia mgiełkę w wąski dżet znacznie mniejszy od otworu dyszy. Gdy ten dżet uderza w gorącą powierzchnię, rozpuszczalnik szybko odparowuje, a krople utwardzają się w stały PDMS. Przez skanowanie podłoża lub przebywanie w miejscu, drukarka może nakładać precyzyjne linie 2D lub układać krople pionowo, budując filary i belki w górę w 3D.

Od prostych linii do sieci w przestrzeni

Aby proces był niezawodny, zespół systematycznie odwzorował, jak temperatura i skupienie gazu wpływają na szerokość linii i wysokość konstrukcji. Na podłożach podgrzewanych do 250 °C uzyskali linie PDMS o szerokości zaledwie około 27 mikrometrów — mniej więcej jedną czwartą ludzkiego włosa — przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej grubości do nakładania wielu warstw. Następnie badali, jak wysokie mogą rosnąć wolnostojące mikropolary, zanim zaczną rozszerzać się u góry i tracić pionowy kształt, oraz jak strome pręty można wydrukować bez uginania się. Symulacje pokazują, że w miarę wzrostu filara jego końcówka chłodzi się względem podstawy; powyżej pewnej wysokości krople nie utwardzają się wystarczająco szybko, powodując bulwiasty wierzchołek. Poprzez dostrojenie warunków drukowania autorzy osiągnęli stosunki wysokości do średnicy rzędu 22 (wysokość 22 razy większa od średnicy) i potrafili drukować belki pod kątem tak płaskim jak 36 stopni powyżej poziomu, wszystko bez tymczasowego materiału podporowego.

Miękkie sieci, maleńkie rurki i magnetyczne mikropilary

Wykorzystując tę przestrzeń projektową, badacze zbudowali szereg mikrostruktur. Wydrukowali trójwymiarowe sieci PDMS z przecinających się prętów o grubości około 87 mikrometrów, a następnie poddali je dziesiątkom tysięcy cykli ściskania do odkształcenia 30–50%. Sieci odbijały się z niewielką utratą wydajności, wykazując wysoką odporność na zmęczenie, co czyni je obiecującymi elementami miękkimi lub poduszkami ochronnymi. Drukując puste filary, stworzyli wolnostojące mikrokanaly, które przewodzą barwiony płyn pod ciśnieniem bez przecieków lub odklejania się od metalowej płytki — zasadniczo maleńkie rurki 3D narysowane bezpośrednio na sprzęcie. Na koniec, mieszając superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza w tuszu PDMS, wydrukowali magnetyczne filary, które zginają się w kierunku pobliskiego magnesu i powracają po usunięciu pola, co nasuwa skojarzenia ze sztucznymi rzęskami lub innymi miękkimi siłownikami reagującymi na zewnętrzne pola.

Więcej niż jeden materiał: ogólna droga do maleńkich polimerów 3D

Choć PDMS jest głównym tematem, ta sama receptura drukowania działa również dla kilku innych polimerów, od bardzo miękkich silikonów po sztywniejsze tworzywa i przewodzący materiał organiczny. Bez szerokiej ponownej optymalizacji zespół wytworzył mikrosieci i filary z poliimidu, Ecoflex, SU-8 i PEDOT:PSS, sugerując, że podejście ma szerokie zastosowanie. Kluczowe wymagania to możliwość aerosolizacji tuszu na małe krople oraz szybkie zestalenie tych kropli po uderzeniu o rozgrzaną strukturę. Ta wszechstronność zapowiada przyszłe urządzenia, w których elementy miękkie, sztywne i przewodzące będą drukowane razem w jednej trójwymiarowej mikrostrukturze.

Co to oznacza dla przyszłych miękkich urządzeń

W praktyce ta praca przekształca PDMS z materiału, który głównie wlewa się do form, w materiał, który można „naszkicować” dowolnie w trzech wymiarach w skali naczyń krwionośnych i włosa. Łącząc trwały, rozpylalny tusz silikonowy z precyzyjną kontrolą temperatury i przepływu kropelek, autorzy pokazują, że można jednocześnie zbudować delikatne, samonośne sieci, kanały płynne i magnetycznie sterowane filary bez brudnych kąpieli podporowych. Dla przyszłych miękkich robotów, noszonych czujników i systemów lab-on-a-chip oznacza to, że projektanci mogą przejść od płaskich warstw do prawdziwych architektur 3D, upychając więcej funkcji w mniejszych, miększych i bardziej misternych urządzeniach.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: aerosol jet printing, mikrostruktur PDMS, miękka robotyka, mikrofluidyka, trójwymiarowe sieci polimerowe