От линий к решёткам — высокоточные 2D и 3D микроархитектуры из PDMS методом аэрозольной струйной печати

Создание крошечных мягких структур в воздухе

Представьте, что можно 3D-печатать мягкие резиноподобные структуры толщиной с человеческий волос — крошечные пружины, каналы и решётки, которые могут двигаться как мышцы или направлять капли крови. В этой работе показано, как сделать именно это с популярным силиконом PDMS, используя метод печати, распыляющий микроскопические капли в воздух и позволяющий им затвердевать в деликатные 3D‑формы без каких‑либо опорных каркасов. Работа открывает возможности для новых типов мягких роботов, медицинских устройств и лабораторий‑на‑чипе, которые ранее было очень трудно, а иногда и вовсе невозможно изготовить.

Почему сложно изготовить мягкие силиконовые формы

PDMS — это прозрачный гибкий силикон, широко используемый в биомедицинских устройствах, микрофлюидных чипах и мягкой робототехнике, поскольку он биосовместим, проницаем для газов и устойчив к износу. До сих пор большинство PDMS‑деталей отливали в формах: этот метод хорош для плоских или простых форм, но испытывает трудности с замысловатыми 3D‑архитектурами — нависающими балками, полыми решётками или извилистыми каналами, выходящими из плоскости. Существующие подходы к печати либо требуют поддерживающих ванн, сложной химии, либо дают изделия с низким разрешением и ограниченной прочностью. Короче говоря, полю не хватало простого и универсального способа «рисовать в пространстве» PDMS на микромасштабе.

Рисование сфокусированным туманом капель

Исследователи адаптировали технику, называемую аэрозольной струйной печатью, которая обычно распыляет металлические или электронные чернила на поверхности, и переработали рецептуру PDMS, чтобы можно было подавать его в виде тонкого тумана. Они разводят силикон растворителем, получая чернило с вязкостью, достаточной для разбиения ультразвуковым атомайзером на капли размером 1–5 мкм. Поток газа переносит эти капли к насадку, где второй газовый поток сжимает туман в узкую струю заметно уже отверстия насадки. При попадании этой струи на горячую поверхность растворитель быстро испаряется, и капли отверждаются в твёрдый PDMS. Сканируя подложку или задерживаясь в одной точке, принтер может наносить точные линии в 2D или укладывать капли вертикально, вырастая столбики и балки в 3D.

От прямых линий к решёткам в пространстве

Для надёжности процесса команда систематически картировала, как температура и фокусировка газа влияют на ширину линий и высоту построения. На нагретых подложках до 250 °C они получают PDMS‑линии всего около 27 мкм в ширину — примерно четверть толщины человеческого волоса — при этом достигая достаточной толщины для укладки нескольких слоёв. Затем они изучают, насколько высокими могут вырасти свободностоящие микростолбики, прежде чем начнут расширяться и терять прямую форму, и под каким углом можно печатать наклонные распорки без провисания. Моделирование показывает, что по мере роста столбика его вершина охлаждается относительно основания; выше определённой высоты капли перестают отверждаться достаточно быстро, что приводит к образованию выпуклой верхушки. Настраивая условия печати, авторы достигают аспект‑соотношений порядка 22 (высота в 22 раза больше диаметра) и могут печатать балки под углом до 36 градусов над горизонталью, всё это без временного опорного материала.

Мягкие решётки, крошечные трубки и магнитные микростолбики

Освоив это пространство проектных параметров, исследователи создают набор микроструктур. Они печатают 3D‑решётки из PDMS, состоящие из пересекающихся распорок толщиной всего ~87 мкм, а затем многократно сжимают их десятки тысяч раз до деформации 30–50%. Решётки восстанавливают форму с минимальной потерей характеристик, демонстрируя высокую сопротивляемость усталости и делая их перспективными в качестве мягких механических компонентов или защитных амортизаторов. Печатая полые столбики, они создают свободностоящие микро‑каналы, которые проводят окрашенную жидкость под давлением без протечек или отслоения от металлической подложки — по сути, крошечные 3D‑трубки, нарисованные прямо на оборудовании. Наконец, смешивая суперпарамагнитные оксиды железа в PDMS‑чернилах, они печатают магнитные столбики, которые наклоняются к соседнему магниту и возвращаются в исходное положение при отключении поля — намёк на искусственные реснички или другие мягкие приводные элементы, реагирующие на внешние поля.

Не только один материал: универсальный путь к крошечным 3D‑полимерам

Хотя PDMS — главный объект исследования, тот же рецепт печати работает и для нескольких других полимеров — от очень мягких силиконов до более жёстких пластиков и проводящего органического материала. Без радикальной доработки команда изготовила микрорешётки и столбики из полиимида, Ecoflex, SU‑8 и PEDOT:PSS, что указывает на широкую применимость подхода. Ключевые требования — чтобы чернило можно было аэрозолизировать в мелкие капли и чтобы эти капли быстро затвердевали при попадании на тёплую структуру. Такая универсальность намекает на будущие устройства, где мягкие, жёсткие и проводящие элементы будут печататься вместе в единой 3D‑мироархитектуре.

Что это значит для будущих мягких устройств

В повседневном смысле эта работа превращает PDMS из материала, который в основном заливают в формы, в вещество, которое можно «набросать» свободно в трёх измерениях на масштабе кровеносных сосудов и волос. Сочетая долговечное распыляемое силиконовое чернило с тщательным контролем нагрева и потока капель, авторы показывают, что можно строить деликатные самоподдерживающие решётки, жидкостные каналы и магнитно управляемые столбики за один шаг и без грязных поддерживающих ванн. Для будущих мягких роботов, носимых датчиков и лаборатоорий‑на‑чипе это означает, что разработчики могут перейти от плоских слоёв к настоящим 3D‑архитектурам, упаковывая больше функций в более мелкие, мягкие и сложные устройства.

Цитирование: 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

Ключевые слова: аэрозольная струйная печать, микроструктуры из PDMS, мягкая робототехника, микрофлюидика, 3D полимерные решётки