Från linjer till gitter—högupplösta 2D- och 3D-mikroarkitekturer i PDMS via aerosol jet-utskrift

Bygga små mjuka strukturer i tunt luftlager

Föreställ dig att kunna 3D-printa mjuka, gummiliknande strukturer lika tunna som ett mänskligt hårstrå—miniatyrfjädrar, kanaler och gitter som kan röra sig som muskler eller leda droppar blod. Denna artikel visar hur man gör just det med en vanlig silikon kallad PDMS, med en utskriftsmetod som sprutar mikroskopiska droppar i luften och låter dem stelna till känsliga 3D-former utan något stödjande ställverk. Arbetet öppnar dörrar för nya typer av mjuka robotar, medicinska enheter och lab-on-a-chip-system som tidigare var mycket svåra, eller till och med ansågs omöjliga, att tillverka.

Varför mjuka silikonskulpturer är svåra att göra

PDMS är en klar, flexibel silikon som används flitigt i medicintekniska enheter, mikrofluidiska chip och mjuk robotik eftersom den är skonsam mot vävnader, genomsläpplig för gaser och tål nötning. Hittills har de flesta PDMS-delar tillverkats genom gjutning i formar, vilket fungerar bra för plana eller enkla former men har svårt med invecklade 3D-arkitekturer som överhängande balkar, håliga gitter eller slingrande kanaler som klättrar ut ur planet. Befintliga utskriftsmetoder kräver antingen stödbad, komplex kemi eller ger delar med dålig upplösning och begränsad styrka. Kort sagt saknades ett enkelt, generellt sätt att ”rita i rymden” med PDMS i mikroskala.

Rita med ett fokuserat dimmoln av droppar

Forskarna anpassar en teknik kallad aerosol jet-utskrift, som normalt sprutar metall- eller elektronikbläck på ytor, och omformulerar PDMS så att det kan nebuliseras som en fin dimma. De späder silikonen med ett lösningsmedel för att skapa ett bläck vars viskositet är låg nog att brytas upp i 1–5 mikrometer stora droppar av en ultraljudsatomiserare. En gasström för sedan dessa droppar till ett munstycke, där en andra gasström pressar ihop dimman till en smal jet mycket mindre än munstyckets öppning. När denna jet träffar en het yta avdunstar lösningsmedlet snabbt och dropparna härdar till fast PDMS. Genom att skanna substratet eller vila på plats kan skrivaren lägga ner precisa linjer i 2D eller stapla droppar vertikalt för att växa pelare och balkar upp i 3D.

Från raka linjer till gitter i rymden

För att göra processen pålitlig kartlägger teamet systematiskt hur temperatur och gasfokusering påverkar linjebredd och byggnadshöjd. På uppvärmda substrat upp till 250 °C uppnår de PDMS-linjer på endast cirka 27 mikrometer i bredd—ungefär en fjärdedel av ett människohår—samtidigt som de får tillräcklig tjocklek för att stapla flera lager. De studerar hur höga fristående mikropelare kan växa innan de börjar flaringa och förlora sin raka form, och hur brant lutande balkar kan skrivas utan att sjunka ihop. Simuleringar visar att när pelaren växer svalnar dess topp i förhållande till basen; över en viss höjd härdar inte dropparna tillräckligt snabbt längre, vilket ger en bulbös topp. Genom att finjustera utskriftsförhållandena når författarna aspektkvoter runt 22 (höjd 22 gånger diametern) och kan skriva balkar i vinklar så flacka som 36 grader över horisontalplanet, allt utan temporärt stödmaterial.

Mjuka gitter, mikrorör och magnetiska mikropelare

Med detta designspektrum bygger forskarna en rad mikrostrukturer. De skriver 3D-PDMS-gitter bestående av korsande balkar endast ~87 mikrometer tjocka och komprimerar dem sedan tiotusentals gånger till 30–50% töjning. Gitteret återviker sig med liten prestandaförlust, vilket visar stark utmattningsbeständighet och gör dem lovande som mjuka mekaniska komponenter eller skyddsdämpare. Genom att skriva håliga pelare skapar de fristående mikrokanaler som för trycksatt färgat vätska utan att läcka eller skala av plåten under—i praktiken små 3D-rör ritade direkt på hårdvara. Slutligen, genom att blanda superparamagnetiska järnoxid-nanopartiklar i PDMS-bläcket, skriver de magnetiska pelare som böjer sig mot en närliggande magnet och återgår när fältet tas bort, vilket antyder konstgjorda cilier eller andra mjuka robotiska ställdon som reagerar på yttre fält.

Bortom ett material: En generell väg till små 3D-polymerer

Även om PDMS är huvudfokus fungerar samma utskriftsrecept för flera andra polymerer, från mycket mjuka silikoner till styvare plaster och ett ledande organiskt material. Utan omfattande omoptimering tillverkar teamet mikrogitter och pelare av polyimid, Ecoflex, SU-8 och PEDOT:PSS, vilket tyder på att tillvägagångssättet är brett tillämpbart. Nyckelkraven är att bläcket kan aerosoliseras till små droppar och att dessa droppar kan stelna snabbt när de träffar en varm struktur. Denna mångsidighet pekar mot framtida enheter där mjuka, styva och ledande element alla skrivs tillsammans i en enda 3D-mikroarkitektur.

Vad detta betyder för framtida mjuka enheter

I vardagliga termer förvandlar detta arbete PDMS från något du mestadels häller i formar till ett material du kan ”skissa” fritt i tre dimensioner i skalan av blodkärl och hårstrån. Genom att kombinera ett långlivat, spraybart silikonbläck med noggrann kontroll av värme och droppflöde visar författarna att du kan bygga känsliga, självstödjande gitter, vätskeledningar och magnetiskt drivna pelare i ett enda steg och utan kladdiga stödbad. För framtida mjuka robotar, bärbara sensorer och lab-on-a-chip-system innebär detta att designers kan gå från plana lager till verkliga 3D-arkitekturer och packa in mer funktion i mindre, mjukare och mer intrikata enheter.

Citering: 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

Nyckelord: aerosol jet-utskrift, PDMS-mikrostrukturer, soft robotics, mikrofluidik, 3D-polymers gitter