美國 Rice University 研究團隊開發出一種 3D 列印技術，利用聚焦微波能量將功能性電子元件直接嵌入對溫度敏感的物料，例如活體生物組織，而不會損壞周邊結構。此方法有望徹底改變電子裝置的設計與製造流程，將生產從集中式半導體代工廠轉移至桌面級打印機。該項目由 Rice University George R. Brown 工程與計算學院助理教授 Yong Lin Kong 領導，並與新加坡國立大學微波工程專家、副教授 John Ho 合作。
電子 3D 列印的挑戰
過去十多年來，將電子元件整合至 3D 列印結構的努力一直面臨一項持續挑戰：列印電子墨水需經熱處理或「退火」以激活導電特性，但所需高溫會損壞周邊物料。對溫度敏感的基材，如生物聚合物、軟體機械物料及生物組織，無法承受此熱量。結果導致電子製造與結構製造完全分離，需要複雜設施及勞力密集組裝。 Kong 團隊透過開發 Meta-NFS（源自超材料的近場電磁結構）解決此問題。
該結構基於超材料研究的劈裂環諧振器架構，將微波能量侷限於直徑僅如人髮般細小的加熱區，實現低於 200 微米的亞毫米解析度，遠優於傳統微波施加器。整合至微擠壓 3D 列印流程中，Meta-NFS 可即時退火噴嘴擠出的奈米物料墨水。聚焦微波體積加熱墨水，使其溫度升至超過 160°C，同時周邊基材幾乎不受影響。關鍵在於系統依賴墨水的介電特性而非光學特性，因此適用於不透明結構內物料退火，或避免雷射處理損壞的基材。
系統更能在單次連續列印中局部程式化不同電子與機械特性，從一區域變至另一區域，此前無法實現。 為驗證技術，團隊在三種基材上列印無線應變感測器：超高分子量聚乙烯（常用於關節置換植入物的生物聚合物）、牛股骨及活體葉片。每種情況下，電子元件均成功沉積並激活，未損害底層物料，包括活植體組織。團隊亦展示在葉片表面列印獨立銀微架構，直徑僅 30 微米，突顯 Meta-NFS 的空間精準度。
此成就實現無需潔淨室、光刻基礎設施或集中代工的桌面級打印機。 Kong 實驗室正將此技術應用於三項近期領域：內服式電子系統用於內部診斷、直接介接生物器官的仿生裝置，以及具全整合電子的 3D 列印軟體機械。研究人員指出，此技術開創先前無法製造或設想的混合電子裝置類別，同時避開傳統半導體製造的監管與基礎設施障礙，有望擴大先進電子製造至更多工程師與醫療裝置開發者社群。
研究首刊於《Science Advances》。
