从线到格栅——通过气溶胶喷墨打印实现高分辨率二维与三维PDMS微观结构

在空气中构建微小软结构

想象能够以比头发细得多的尺度三维打印柔软、有弹性的结构——微小的弹簧、通道和格栅，它们可以像肌肉一样运动或引导血液样的液滴。本文展示了如何使用一种常见的硅胶PDMS，通过一种将微小液滴在空气中喷射并使其固化为精巧三维形态的打印方法，来实现这一目标，且无需任何支撑架。该工作为新型软体机器人、医疗器械和芯片实验室系统打开了大门，这些设备此前制造起来极为困难甚至被认为不可能。

为什么柔软硅胶形状难以制作

PDMS是一种透明且柔韧的硅胶，因对组织友好、可透气并耐磨损，广泛用于生物医学设备、微流控芯片和软体机器人。到目前为止，大多数PDMS部件是通过模具铸造获得，这对平面或简单形状效果良好，但在复杂三维结构（如悬臂梁、空心格栅或盘绕出平面的通道）面前很难胜任。现有的打印方法要么需要支撑浴或复杂化学体系，要么产物精度低且强度有限。简言之，该领域缺乏一种在微观尺度上以PDMS“在空间中绘制”的简单且通用的方法。

用聚焦雾状液滴“作画”

研究人员改进了一种称为气溶胶喷墨打印的技术，该技术通常用于将金属或电子墨水喷涂到表面，并重新配方PDMS使其能以细雾形式喷出。他们用溶剂稀释硅胶，配制成黏度足够低、可被超声雾化器分解成1–5微米液滴的墨水。一股气流将这些液滴带到喷嘴处，第二股气流将雾束压缩成比喷嘴口径小得多的狭窄射流。当该射流打到加热表面时，溶剂迅速蒸发，液滴在固化成固态PDMS。通过扫描基底或在一点停留，打印机可以铺出精确的二维线条，或垂直叠加液滴生长成柱状和梁状，构建三维结构。

从直线到空间格栅

为使该工艺可靠，团队系统性地绘制了温度和气体聚焦如何影响线宽与构建高度的图谱。在高达250°C的加热基底上，他们实现了仅约27微米宽的PDMS线——大约相当于人发直径的四分之一——同时仍能获得足够厚度以叠层多层。他们进一步研究了自立微柱在开始扩大并失去直线形状前能长多高，以及可以打印而不下垂的倾斜梁的最大倾角。模拟显示，随着柱子增高，其顶端相对于基座会更快冷却；超过某一高度后，液滴不再足够快固化，导致顶部鼓胀。通过调节打印条件，作者实现了约22的纵横比（高度为直径的22倍），并能在不使用临时支撑材料的情况下打印出倾角低至距水平面36度的梁。

柔性格栅、微小管道与磁性微柱

凭借这一设计空间，研究人员构建了一系列微结构。他们打印出由相交构件组成的三维PDMS格栅，构件厚度仅约87微米，然后对其进行数万次压缩至30–50%应变。格栅几乎不损失性能地恢复，显示出很强的疲劳抗性，使其成为软力学组件或保护缓冲材料的有希望候选。通过打印中空柱，他们创造了自由立体微通道，能在加压下输送着色流体而不渗漏或从金属板上剥离——本质上是直接在硬件上绘制的微型三维管道。最后，通过将超顺磁性氧化铁纳米粒子混入PDMS墨水，他们打印出会向附近磁体弯曲并在磁场移除后恢复的磁性微柱，暗示了可响应外场的人工纤毛或其他软体驱动器的可能性。

超越单一材料：通向微小三维聚合物的一般路径

尽管PDMS是研究重点，但相同的打印配方也适用于多种其他聚合物，从非常柔软的硅胶到较硬的塑料以及一种导电有机材料。无需大幅重新优化，团队用聚酰亚胺、Ecoflex、SU-8和PEDOT:PSS等材料制造了微格栅和微柱，表明该方法具有广泛适用性。关键要求是墨水能被雾化成小液滴，且这些液滴在撞击温暖结构时能迅速固化。这种多用途性暗示了未来设备可以在单一三维微结构中同时打印柔性、刚性和导电元件。

这对未来软性器件意味着什么

通俗地说，这项工作把PDMS从主要用于倒模的材料，变成了一种可以在毛细血管和毛发尺度上在三维中“随意素描”的材料。通过将可长时间存放的可喷涂硅胶墨水与对热和液滴流的精细控制相结合，作者展示了可以一步完成并在无杂乱支撑浴情况下构建精巧、自支撑的格栅、流体通道和磁控微柱。对于未来的软体机器人、可穿戴传感器和芯片实验室系统，这意味着设计者可以从平面层次迈向真正的三维结构，在更小、更柔软、更复杂的器件中集成更多功能。

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

关键词: 气溶胶喷墨打印, PDMS微结构, 软体机器人, 微流控, 三维聚合物格栅