Ser - arena de la playa de hangzhou inc.

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 5083 (2022) Citar este artículo

5911 Accesos

6 citas

13 Altmetric

Detalles de métricas

Los microcanales son los elementos esenciales en animales, plantas y diversos dispositivos artificiales, como robótica blanda, sensores portátiles y órganos en un chip. Sin embargo, los microcanales tridimensionales (3D) con geometría compleja y una alta relación de aspecto siguen siendo difíciles de generar mediante métodos convencionales como la litografía blanda, la disolución de plantillas y los procesos de hinchamiento de matriz, aunque están muy extendidos por naturaleza. Aquí, proponemos un método de fabricación simple y sin solventes capaz de producir microcanales monolíticos con estructuras 3D complejas, de gran longitud y pequeño diámetro. En el proceso de desmoldeo se introducen una plantilla blanda y un proceso de eliminación de plantilla predominantemente pelado, que aquí se denomina desmoldeo blando. En combinación con la tecnología de dibujo térmico, se generan microcanales con un diámetro pequeño (10 µm), una alta relación de aspecto (6000, longitud a diámetro) y geometrías 3D complejas. Demostramos la gran aplicabilidad y el impacto significativo de esta tecnología en múltiples escenarios, que incluyen robótica blanda, sensores portátiles, antenas blandas y embarcaciones artificiales.

Los recipientes naturales a microescala existen de forma ubicua en animales y plantas, ya que son fundamentales para el transporte de nutrientes y la eliminación de subproductos1,2,3. En las últimas décadas, las contrapartes artificiales, a saber, los microcanales, han estado entre las tecnologías emergentes y de mayor difusión en diversas disciplinas y contextos, incluido el descubrimiento de fármacos4, los estudios biomédicos4,5, el análisis químico6 y, más recientemente, la robótica blanda7,8. ,9, sensores portátiles10,11 y vasos artificiales5,12,13. Por ejemplo, los canales de alta relación de aspecto dotaron a los actuadores suaves con un gran enredo para agarrar9,14, y los cordones ópticos 3D complejos pudieron imitar la red neuronal sensorial aferente15. Los microcanales de alta relación de aspecto con geometrías 3D son fundamentales para mejorar la eficiencia de clasificación de partículas16 y la función de los alvéolos reaparecidos17. Sin embargo, en comparación con los microvasos naturales, la creación de microcanales artificiales sigue siendo un desafío debido a su tamaño y complejidad topológica. Los investigadores solo han logrado canales ultrafinos o estructuras 3D complejas16,18, mientras que la naturaleza genera vasos entrelazados que varían enormemente en diámetro, forma y estructura 3D.

La técnica de litografía blanda ampliamente aceptada adolece de formas de sección transversal (rectangulares) y estructuras espaciales limitadas (patrones bidimensionales (2D) únicamente), mano de obra intensiva y dispositivos de fabricación costosos, y es incapaz de generar estructuras monolíticas6,19. Los métodos emergentes, como la fabricación aditiva17,20,21, la matriz hinchada16,22,23,24 y la disolución de plantilla12,13,16,18,25,26,27 difícilmente pueden generar microcanales ultrafinos, largos (alta relación de aspecto) , y complejo en geometría con alta eficiencia. La fabricación aditiva puede generar microcanales 3D en geometrías topológicas complejas, pero el tamaño de la característica y la rugosidad de la superficie están limitados por los procesos de fabricación17,20. Los métodos de hinchamiento de matrices requieren procesos de hinchamiento y deshinchamiento de las matrices para el desmoldeo de las plantillas, lo que provoca el pandeo de las matrices y residuos de disolvente28. Los microcanales complejos y ultradelgados se pueden fabricar mediante métodos de disolución de plantilla, pero la disolución y el drenaje se vuelven un desafío debido al efecto capilar cuando los canales tienen solo decenas de micrómetros18,29. Otros métodos, como el empleo de plantillas líquidas30 y tecnología de procesamiento láser31, tienen limitaciones para las geometrías 3D y la generación de canales uniformes. Además, el ensamblaje de microcanales 3D es un desafío debido a los procesos de fijación y eliminación de plantillas. La mayoría de los métodos de fabricación actuales son inadecuados para aplicaciones biológicas que requieren estrictamente elementos no tóxicos y biocompatibles18,22. Por lo tanto, se espera que las técnicas novedosas que generan microcanales monolíticos delgados, no tóxicos y estructurados en 3D complejos revolucionen las vastas aplicaciones en las que los microcanales son indispensables.

Inspirándonos en el fenómeno de estrechamiento inducido por la tensión durante el proceso de estirado en frío de las muestras poliméricas32,33, proponemos un método simple, rápido y sin disolventes para generar canales monolíticos 3D de nivel micro (Figura complementaria 1). Empleamos una plantilla que es más blanda que la matriz y estiramos la plantilla blanda mientras está incrustada en la matriz, para eliminar la plantilla de la matriz mediante un proceso de pelado dominante (Fig. 1a, b). Aquí llamamos a esta metodología desmoldeo suave ya que la plantilla se encoge durante la extracción. Este proceso requiere una fuerza significativamente menor que el proceso de eliminación de corte dominante que ocurre en la extracción de plantilla rígida convencional7 (Fig. 1c y Película complementaria 1). Al variar las dimensiones y geometrías de la plantilla, se pueden crear varios microcanales desde unidimensionales (1D) hasta 3D para diferentes escenarios de aplicación (Fig. 1a).

a El esquema conceptual del desmoldeo blando y sus aplicaciones típicas. b El proceso de desmoldeo suave: primero se incrusta la plantilla en la matriz, luego se contrae su área transversal y se despega cuando se aplica una fuerza externa y, en consecuencia, se forma el canal. c La comparación de la extracción de una plantilla rígida (método convencional) y una plantilla blanda (propuesta en este trabajo), que son desmoldeo dominado por cizalla y desmoldeado dominado por pelado, respectivamente.

La técnica de desmoldeo suave contiene dos características principales: una plantilla suave y un proceso de desmoldeo suave. La plantilla blanda se puede fabricar mediante varios métodos, incluida la impresión 3D34, la impresión por inyección de tinta21 y el moldeo por inyección35, solo si es más blanda que la matriz. Este trabajo inventa las plantillas blandas por dibujo térmico36; es decir, sumergir la punta de una varilla delgada en una masa fundida de polímero y luego sacar la varilla de la masa fundida (Fig. 2a). Unido a la punta de la varilla, el polímero fundido en el aire se transforma en forma de filamento debido a la viscosidad y la tensión superficial y se solidifica rápidamente debido al gradiente de temperatura. Hay varios polímeros termoplásticos disponibles y adaptables para esta manipulación37, incluidos el polietileno y el poliuretano de bajo costo y ampliamente aplicados. Este método de fabricación es rápido, simple y productivo. El filamento se puede producir con una sección transversal circular y un diámetro controlable en un amplio rango de decenas de micras a cientos de micras. El diámetro del filamento \(D\) está determinado por36:

donde \(C\) es una constante, y \(v\) es la velocidad de dibujo (consulte la sección "Métodos" 'Fabricación de plantillas blandas' y la Fig. 2b). El diámetro del filamento es constante a la misma velocidad de dibujo (Fig. 2c). Se pueden generar diámetros variables, como una forma cónica (Fig. 2d), en un solo filamento simplemente alterando la velocidad de dibujo.

a Los métodos de fabricación para las plantillas blandas, incluido el dibujo de dirección, el procesamiento posterior y el ensamblaje. Se pueden generar una serie de formas y geometrías variando los parámetros en cada paso. b La relación entre el diámetro del filamento \(D\) y la velocidad de estirado \(v\) (\(C\) es una constante). Los puntos rojos y la nube rosa representan los valores medios y las desviaciones estándar. c–h Plantillas blandas de diferentes formas (es decir, una estructura recta, cónica, ramificada, anudada en huso, helicoidal y plectonemática) fabricadas mediante dibujo directo y posprocesamiento. Las imágenes en c–h son representativas de cinco plantillas blandas independientes (réplicas experimentales). Barras de escala, 100 µm. i–m Plantillas blandas de geometrías complejas en 3D (es decir, una superficie cónica, una superficie de silla de montar, una superficie hiperboloide y una estructura en forma de árbol) fabricadas por ensamblaje. Barras de escala, 5 mm.

Además de la plantilla 1D, se pueden fabricar perfiles más complejos ajustando otros parámetros de fabricación. Por ejemplo, generamos una estructura ramificada tirando de dos puntas de aguja en dos direcciones (ver Fig. 2e). A una temperatura de calentamiento más alta (130 °C en este trabajo), creamos un filamento con una serie de estructuras anudadas en el filamento (Fig. 2f), que resulta de la interacción sinérgica de la viscosidad y la tensión superficial38. A través del procesamiento posterior, se produjeron formas espaciales más complejas. Por ejemplo, se fabricó una plantilla helicoidal estirando aún más el filamento recto antes de que se enfriara por completo (Fig. 2g). Además, generamos una estructura de plectonema al torcer ambos extremos del filamento (Fig. 2h). Mediante la disposición y el ensamblaje de plantillas, se crearon estructuras 3D más complejas, como una superficie cónica, una superficie de silla de montar, una superficie hiperboloide y una estructura en forma de árbol (Fig. 2i-m). La superficie de la plantilla fabricada con este método es más suave (p. ej., \({S}_{a}\) = 0,010 µm en la figura complementaria 2a) que las fabricadas con otros métodos, como la impresión 3D (\({S} _ {a}\) es superior a 0,4 µm39) debido a la fluidez del material producido. Una superficie lisa puede reducir la fuerza de resistencia al desmoldeo y dejar una superficie de baja rugosidad en los microcanales.

Sacar la plantilla de la matriz es otro gran desafío para formar un microcanal. Con plantillas previamente rígidas7, tanto la fuerza de corte como la fuerza de fractura de la plantilla determinan el diámetro del canal (Fig. 3a-c y Fig. 3 complementaria). Existe competencia entre la fuerza de fractura crítica de la plantilla rígida y la fuerza de corte durante la tracción. Una vez que la fuerza de corte es mayor que la fuerza de fractura crítica, la plantilla se fractura y el desmoldeo falla. Solo cuando la fuerza de fractura crítica es mayor, se puede sacar la plantilla. Suponiendo que la plantilla es un alambre recto simple con una sección transversal redonda, la fuerza de corte \({F}_{{{{{{\rm{shear}}}}}}}\) está determinada por:

donde \(\tau\) es el esfuerzo cortante, \(d\) es el diámetro del filamento y \(l\) es la longitud incrustada. La fuerza de corte aumenta linealmente con el diámetro y la longitud incrustada de la plantilla, como se muestra en la Fig. 3b. La fuerza de fractura de la plantilla \({F}_{{{{{{\rm{frac}}}}}}}\) se calcula como:

donde \({\sigma }_{f}\) es la tensión de fractura y \(A\) es el área de la sección transversal de la plantilla. Por lo tanto, una longitud incrustada más larga exige un diámetro más grueso para una extracción exitosa. Para evitar la fractura, tenemos \({F}_{{{{{{\rm{shear}}}}}}}\,\le\, {F}_{{{{{{\rm{frac} }}}}}}\), y por lo tanto:

lo que indica que la relación de aspecto del canal está intrínsecamente limitada por la naturaleza de los materiales de la plantilla rígida, es decir, la resistencia y la densidad de energía adhesiva. Por ejemplo, la relación de aspecto máxima para la matriz PDMS y el sistema de plantilla de cobre es 258, según la ecuación. (4) (σ = 6300 MPa, τ = 6,1 MPa, según los resultados experimentales de este trabajo). Como se muestra en la Fig. 3c y la Fig. 3b, c complementarias, cuando la longitud incrustada era de 30 mm, la plantilla de cobre (diámetro: 80 µm) y nailon (diámetro: 100 µm) se rompieron debido a las grandes relaciones de aspecto (375 y 300 , respectivamente). Una fuerza tan fuerte podría romper una matriz frágil (p. ej., geles de agarosa). Además, una plantilla rígida provoca inevitablemente desgaste en las superficies del canal debido a la rigidez de la plantilla y la gran fuerza de cizallamiento.

a Las curvaturas tensión-deformación de una plantilla rígida (cobre) y una plantilla blanda (resina termoplástica). b La fuerza de fractura crítica y la fuerza de corte de la plantilla rígida (alambre de cobre con 20 mm de longitud incrustada) para diferentes diámetros de filamento. La región sombreada representa el rango de la falla de desmoldeo. c La curva de fuerza/diámetro-desplazamiento con diferentes longitudes empotradas (EL) para plantillas rígidas (cobre). El diámetro del alambre de cobre es de 80 μm. d La fuerza de fractura crítica y la fuerza de pelado varían con el diámetro de la plantilla blanda (resina termoplástica). Las intersecciones en el gráfico indican el diámetro mínimo para iniciar el proceso de pelado con ciertos ángulos de pelado (0, 20 y 30°). La región sombreada representa el fallo de desmoldeo. e La fuerza de extracción de las plantillas blandas. En el recuadro se muestra el desprendimiento de la plantilla blanda de la matriz. Las imágenes en el recuadro son representativas de tres procesos independientes de desmoldeo suave (réplicas experimentales). Barra de escala, 100 µm. f Comparación de la fuerza de extracción de las plantillas rígidas y las plantillas blandas. Los datos se presentan como valores medios \(\pm\) desviación estándar para el número de intentos n = 3.

En contraste, para el método de desmoldeo suave, el pelado en lugar del corte es dominante durante el proceso de extracción debido a la mayor relación de estiramiento de la plantilla (la deformación final de la resina termoplástica (1200%) fue 100 veces mayor que la del alambre de cobre (12 %), como se muestra en la Fig. 3a). La relación de aspecto del canal no se limita por la longitud porque la gran deformación de la plantilla blanda transfiere el mecanismo de desmoldeo a un proceso de pelado (ver "Métodos" apartado 'Fabricación de los microcanales por desmoldeo blando'), y la fuerza de pelado no tiene relación con la longitud incrustada de la plantilla blanda (Fig. 3d, f). La fuerza de pelado \({F}_{{{{{{\rm{peel}}}}}}}\) para el desmoldeo blando de resina termoplástica (adhesivo termofusible, 3748Q) puede expresarse mediante la ref. 40:

donde \(d\) es el diámetro del filamento, \(\theta\) es el ángulo de pelado y \({\Delta E}_{S}\) es la energía adhesiva. La fuerza de pelado se mantuvo constante para las muestras con diferentes longitudes incrustadas (10, 20, 30 y 40 mm) (Fig. 3e, f), lo que indica que el mecanismo de desmoldeo suave es significativamente diferente del desmoldeo rígido que se muestra anteriormente (ver " Métodos" apartado 'Caracterización mecánica y Ensayos de desmoldeo'). Como se muestra en la figura complementaria 4a, b, cuando se somete a una fuerza de estiramiento, la tensión aumenta de manera estable y el ángulo de pelado se expande, mientras que la fuerza primero aumenta bajo una tensión corta y luego permanece estable en un rango amplio para los resultados de la simulación ( ver "Métodos" apartado 'Simulación del ángulo deformado'). Se observa en nuestros experimentos de desmoldeo suave que el inicio del pelado ocurre cuando la fuerza de pelado alcanza una meseta (Fig. 4c complementaria). Para diámetros más grandes, la fuerza de pelado aumenta y los ángulos de pelado consiguientes son diferentes (Fig. 3d y Fig. 4c complementaria). La falla de desmoldeo siempre ocurre en la situación en la que la plantilla alcanza su tensión máxima antes de que se inicie el desmoldeo. Según la simulación, para la plantilla blanda (resina termoplástica) de este trabajo, el desmoldeo falla cuando el diámetro es inferior a 15,1 µm, como se muestra en la Fig. 3d, ya que el ángulo de desprendimiento supera su valor máximo (30°). Además, de acuerdo con los diferentes comportamientos mecánicos de las plantillas blandas, construimos el modelo de desmoldeo para el filamento de TPU (consulte la Nota complementaria 1 y la Fig. 4d-h complementaria).

Aquí, la magnitud de la fuerza de extracción para la plantilla blanda es drásticamente menor que la de la plantilla rígida, de acuerdo con la teoría de pelado (Fig. 3f y Fig. 4 complementaria), ya que la tracción directa de la plantilla rígida puede considerarse como el pelado de ángulos cero. Por lo tanto, la plantilla blanda es menos susceptible a la fractura y aplicable para la generación de microcanales delgados y de alta relación de aspecto.

Con un desmoldeo suave, fabricamos microcanales con un diámetro de tan solo 10 µm (Fig. 4a). Como se muestra en la figura complementaria 5a, b, también se generó un microcanal con una relación de aspecto de hasta 6000 (alrededor de 10 veces más que el valor máximo disponible anteriormente, 6299). Además, la superficie interna del microcanal resultante es suave (\({S}_{a}\) = 0,018 µm) (Fig. 2b complementaria), lo que beneficia a la robótica suave, las interacciones fluídicas y las aplicaciones ópticas, como mejorar la presión de explosión y el ciclo de vida de los actuadores blandos41, mejorando el efecto de conmutación de las válvulas microfluídicas42 y reduciendo la pérdida de intensidad óptica para las guías de ondas ópticas43 ya que la plantilla es deformable y las dimensiones radiales disminuyen cuando se extrae, lo que reduce en gran medida la fuerza de extracción. Además, fabricamos microcanales de varias formas, desde patrones 1D a 3D, que incluyen una forma cónica, una hélice, una silla de montar y una estructura en forma de árbol (Fig. 4b-q y Fig. 5 complementaria). Además, la posibilidad de desmoldeo para la plantilla blanda en forma de huso se discutió en la Nota complementaria 2. En comparación con otros métodos, el desmoldeo suave puede generar una mayor flexibilidad geométrica y un tamaño de característica más pequeño44 (las dos características principales de los microcanales) (Fig. 4r y Suplementario Tabla 1), comparable con los capilares humanos en términos de complejidad y dimensión.

a El canal más delgado (10 µm de diámetro) fabricado en este trabajo. Barra de escala, 50 µm. b, c El microcanal y su sección transversal circular. Barras de escala, 50 µm. d El microcanal con geometría cónica. El diámetro del lado izquierdo del canal cónico es de 250 µm y el diámetro del lado derecho es de 40 µm. Barra de escala, 200 µm. e El microcanal con forma de nudo fusiforme. Barra de escala, 500 µm. f La red de microcanales. Barra de escala, 500 µm. g El microcanal helicoidal. Barra de escala, 200 µm. h El microcanal ramificado. Barra de escala, 100 µm. i El microcanal con estructura de plectonema. Barra de escala, 500 µm. j, k son las partes características de f e i, respectivamente. Barras de escala, 200 µm. l–q Las nuevas estructuras de microcanales en 3D. Tanto n como o muestran vistas diferentes del mismo prototipo y lo mismo a p y q. Barras de escala, 5 mm. Las imágenes en a–q son representativas de cinco microcanales independientes (réplicas experimentales). Tamaño de características y flexibilidad geométrica para estudios de fabricación de microcanales (la capacidad de ensamblaje no se considera para la comparación).

Aquí, demostramos las amplias aplicaciones y el impacto significativo del desmoldeo blando en robótica blanda, sensores portátiles, antenas blandas y embarcaciones artificiales (Fig. 5). Los robots blandos en miniatura han atraído un interés creciente en las últimas décadas debido a su excelente cumplimiento y adaptabilidad8,45 en cirugía mínimamente invasiva, inspección y búsqueda y rescate35,46. La fabricación de microcámaras es un desafío, particularmente cuando la dimensión característica es pequeña y la topología es compleja. Por ejemplo, sacar directamente la plantilla de la matriz solo puede crear una cámara recta simple. Las soluciones emergentes, como las interfaces de unión de reticulación química47, la impresión 3D de fotocurado en estructuras monolíticas48 y los métodos de recubrimiento por inmersión7, presentan superficies rugosas, resistencia más débil, consumo elevado de tiempo o formas y tamaños limitados.

a El robot blando neumático en un estado de torsión imita al milpiés en un estado de defensa (recuadro izquierdo) usando el microcanal plectonema. Barras de escala a–d, 5 mm. b El robot zarcillo largo y suave (longitud: 10 cm) que contiene un microcanal helicoidal (diámetro: 150 µm) (relación de aspecto > 1600) se sube a una varilla después de inflarse, como el zarcillo real (recuadro izquierdo). c El sensor de deformación suave, delgado y largo (diámetro del canal: 150 µm, longitud: 15 cm) capaz de adquirir el movimiento del codo. d La antena blanda que contiene un microcanal helicoidal 3D (diámetro: 180 μm) que exhibe diferentes coeficientes de reflexión bajo diferentes deflexiones \(d\). Barra de escala (recuadro): 200 µm. e Los vasos sanguíneos artificiales en geles de fibrina con HUVEC sembrados, fabricados por desmoldeo suave. La imagen confocal de las vistas transversales de la imagen (proyección en z de una pila de 250 µm) del vaso artificial cónico (el diámetro mínimo: 250 µm, el diámetro máximo: 500 µm) y el vaso artificial recto (diámetro: 150 μm) después de un día de siembra de HUVEC. Las imágenes confocales del gel de fibrina después de 1 a 2 días de cultivo se tiñeron con ensayo vivo (verde)/muerto (rojo). Las imágenes en e son representativas de tres vasos artificiales independientes (réplicas experimentales). Barras de escala, 200 µm.

Aquí, nuestro método de desmoldeo blando puede crear robots blandos en miniatura con estructuras monolíticas y microcanales complejos y suaves. Por ejemplo, inspirado en los gusanos que pueden enroscarse para defenderse, se creó un robot gusano en miniatura capaz de doblarse en un ángulo mayor a 450° (Fig. 5a, Película complementaria 2 y sección "Métodos" 'Fabricación del robot gusano blando '), que es aplicable a manipulaciones y agarres delicados durante cirugías49. Su cámara interna con una estructura de plectonema (diámetro: 200 µm, ver la Fig. 6a complementaria) fabricada por el método de desmoldeo suave posee una serie de cóncavos en la matriz elástica, lo que permite una deformación más rápida y sin esfuerzo del actuador bajo inflación que una cámara con una sección transversal constante50. También demostramos un robot suave ultra largo inspirado en un zarcillo (Fig. 5b y Fig. 6b complementaria, y Película complementaria 3) que integra un microcanal helicoidal (diámetro: 150 µm) con una relación de aspecto de más de 1600 (consulte la sección Métodos Fabricación del robot de zarcillo blando). Presionado por el aire, el robot de zarcillo suave se enroscó alrededor de una varilla en consecuencia, que se puede aplicar para la fijación y el agarre, como la fijación y el control de la actividad nerviosa51, imitando la estrategia de supervivencia del zarcillo. Estos prototipos revelan el prometedor potencial de crear canales más complejos para robots blandos en miniatura más versátiles basados en el desmoldeo blando.

Además, utilizando la técnica de desmoldeo suave, fabricamos un sensor estirable con canales ultrafinos de sección transversal suave y redonda (Fig. 7a complementaria y sección "Métodos" 'Fabricación del sensor de tensión portátil suave'). Los sensores elastoméricos estirables emergentes, aunque prometedores para dispositivos portátiles e interfaces hombre-máquina10,15,52, pueden resultar incómodos y restringidos durante el uso debido a las estructuras voluminosas. Estos problemas resultan principalmente de los métodos de fabricación limitados. Con el desmoldeo suave, los canales circulares se pueden fabricar fácilmente y pueden generar una respuesta de cambio resistivo más predecible durante la extensión (consulte la Nota complementaria 3, la Figura complementaria 7b-e y la Película complementaria 4) debido a la sección transversal isotrópica. Demostramos un sensor de deformación ultralargo similar a un hilo de algodón fabricado con este método y lo integramos a la perfección en una manga tejida. El sensor de deformación suave con el microcanal circular se cosió manualmente en una funda tejida (Fig. 5c). El sensor era compatible con la manga y casi invisible debido a sus características delgadas, largas y semitransparentes, que son esenciales para los dispositivos portátiles. Este sensor midió con precisión el movimiento del codo por la variación de la señal de voltaje (Fig. 5c y Película complementaria 5).

Además, se fabricó una microantena suave y sintonizable mecánicamente con una estructura conductora helicoidal 3D mediante desmoldeo suave (consulte la sección "Métodos" 'Fabricación de la antena blanda'). Las antenas pequeñas existentes, aunque son fundamentales para los dispositivos portátiles, los sistemas de comunicación hombre-máquina y los dispositivos de implante53, están restringidas por estructuras simples, como geometrías planas o en forma de barra54,55, o soportes para las estructuras 3D55,56. Además, el gran tamaño (varios centímetros) y el marco rígido de las antenas actuales les impiden aplicaciones más extensas. Aquí, fabricamos una microantena blanda (10 mm × 1,2 mm × 1,2 mm) que contiene un microcanal helicoidal 3D (diámetro del canal: 180 µm, diámetro de la estructura helicoidal: 450 µm como mínimo y 900 µm como máximo) infundido con la metal líquido (Fig. 5d y Fig. 8 complementaria), mientras que la mayoría de las antenas pequeñas anteriores estaban en la escala de centímetros53,56. La estructura conductora 3D ofrece una dimensión más compacta para entornos confinados. Además, con la estructura helicoidal 3D, la antena presenta bajos coeficientes de reflexión de −6,6 y −22,3 dB (inferior a −10 dB es suficiente para antenas comerciales57) a dos frecuencias resonantes (6,8 y 13,1 GHz), respectivamente. Al estar doblada, la microantena se puede sintonizar mecánicamente en dos amplios rangos de frecuencia resonante (de 6,8 a 7,3 GHz y de 11,9 a 13,1 GHz), y el coeficiente de reflexión se vuelve más bajo para una mejor transmisión de la señal, como se muestra en la Fig. 5d (ver "Métodos " sección 'Prueba del coeficiente de reflexión para la antena blanda'). Por lo tanto, el método de fabricación de desmoldeo blando para microantenas proporciona un nuevo enfoque hacia la electrónica inalámbrica blanda compacta.

Finalmente, utilizando la técnica de desmoldeo suave, creamos microcanales en los geles de agarosa y vasos sanguíneos artificiales con estructuras rectas y cónicas. Los microcanales son esenciales para, por ejemplo, el desarrollo de ingeniería de tejidos en 3D, el análisis de enfermedades y el descubrimiento de fármacos3,4,12. Dentro de los canales, las células pueden vivir más tiempo y pueden convertirse en un organoide con un gran volumen, que es más adecuado para la detección de medicamentos personalizados4. La formación de secciones transversales redondas y geometrías complejas, aunque es fundamental para parecerse a las propiedades reológicas del flujo sanguíneo58 y la vascularización de un tejido grande5, es un desafío. El desmoldeo anterior de la plantilla rígida no es apropiado para una matriz frágil, y en el método de disolución de la plantilla, el solvente residual y el contaminante son citotóxicos para las células vivas18,23. Por lo tanto, nuestro proceso de desmoldeo suave y sin solventes que requiere una fuerza suave es un enfoque superior para el cultivo de células in vitro. Aquí, primero fabricamos un microcanal con una estructura en forma de huso y un microcanal con un cuello estrecho en geles de agarosa (Figuras complementarias 9a, b, y la sección Métodos Fabricación de estructuras de microcanales biocompatibles), que pueden usarse para modelos de enfermedades vasculares. Además, construimos un vaso artificial de sección transversal redonda (diámetro: 150 µm) y uno cónico (diámetro mínimo: 250 µm y diámetro máximo: 500 µm) mediante la siembra de células endoteliales de vena umbilical humana (HUVEC) en el microcanal. dentro de la matriz de gel de fibrina (consulte la Fig. 5e, la Fig. 9c-f complementaria y la sección "Métodos" "Fabricación del modelo vascular artificial"). Después de cultivar durante 1 o 2 días, el microcanal permaneció circular y las células sobrevivieron alrededor del microcanal, ya que la nutrición puede penetrar la estructura porosa de la pared vascular artificial. Las células cercanas al canal exhibieron una alta tasa de supervivencia (Fig. 5e), lo que demuestra que las arquitecturas del canal pueden proporcionar un transporte funcional de nutrientes a la matriz celular cercana. Además, esta estructura vascular se puede utilizar para simular el crecimiento de vasos y una mayor predicción de enfermedades vasculares. Para exhibir las ventajas del desmoldeo suave, empleamos dos plantillas rígidas para fabricar microcanales en geles de fibrina frágiles, pero la gran fuerza de corte hizo que los microcanales se rompieran (consulte la Fig. 10a complementaria y la sección "Métodos" 'Fabricación de microcanales en geles de fibrina por desmoldeo rígido'). También verificamos el efecto negativo de la acetona, que se emplea en la matriz por métodos de hinchamiento de matriz16,22 y disolución de plantilla18,25, sobre el crecimiento celular en vasos artificiales. Al introducir acetona en los geles, la tasa de muerte de las células 3T3 aumentó en consecuencia, como se muestra en la Fig. 10b complementaria. Por lo tanto, con la tecnología de desmoldeo suave suave y sin disolventes para la fabricación de microcanales complejos en 3D, se podría fabricar un sistema vascular artificial más complejo para posibles aplicaciones.

En resumen, este documento presenta una solución prometedora para la metodología de formación de microcanales basada en plantillas blandas y procedimientos de eliminación de pelado dominante. En comparación con los enfoques tradicionales, por ejemplo, la fotolitografía, este método es simple, rápido, sin solventes y puede generar un microcanal con una relación de aspecto súper grande, una superficie lisa y geometrías 3D complejas. Demostramos sus amplias aplicaciones mediante múltiples prototipos, incluido un robot de gusano blando con una estructura en forma de plectonema, un robot de zarcillo ultralargo que contiene un microcanal helicoidal (diámetro: 150 µm, relación de aspecto: más de 1600), un biocompatible similar a un hilo sensor portátil, una antena suave que contiene un microcanal helicoidal 3D con diámetro variable y un vaso sanguíneo artificial delgado en geometría cónica. Nuestro método de desmoldeo suave también ofrece un enfoque prometedor para el campo de la microfluídica y la ingeniería de tejidos.

Actualmente, los materiales y el método de fabricación para las plantillas blandas empleadas en este trabajo pueden limitarlo para la generación de microcanales más intrincados y delicados. La investigación futura se centrará en la mejora del diseño (p. ej., diseño asistido por computadora59), el proceso de fabricación (p. ej., el empleo de etapas móviles de alta precisión para la escritura con tinta directa34 y la tecnología de electrohilado60) y los materiales (p. ej., hidrogeles, que muestran grandes propiedades de estiramiento, tenacidad y autolubricación61) para la generación de plantillas blandas y la formación de matrices para mejorar la precisión, complejidad, versatilidad y biocompatibilidad de la metodología para aplicaciones más extensas.

Primero, en el proceso de estirado térmico, calentamos la resina termoplástica (adhesivo de fusión en caliente 3748Q, 3M) a 120 °C en su estado fundido y mantuvimos el estado fundido durante 5 a 10 minutos. Luego enfriamos el material a 100 °C para alcanzar su estado óptimo de estirado. Después de eso, sumergimos la punta de una aguja en la masa fundida. La aguja (diámetro: 400 µm) se instaló en un escenario de movimiento vertical. Controlando la velocidad de la platina móvil y elevando la aguja, podríamos sacar un filamento de la aguja (Fig. 2a). De manera similar, para las pruebas se utilizó poliuretano termoplástico (TPU-95A, eSUN).

A excepción de los filamentos rectos simples, se pueden generar diferentes patrones de plantilla (1D, 2D o 3D) alterando el proceso de estirado térmico y combinando el procesamiento posterior y el ensamblaje (Fig. 2c-m). La plantilla blanda en forma de cono se fabricó mediante un proceso de estirado acelerado, ya que el diámetro del filamento disminuyó al aumentar la velocidad (Fig. 2d). La plantilla con forma ramificada fue dibujada por dos agujas, moviéndose primero en la misma dirección y luego en diferentes direcciones (Fig. 2e). Cuando la temperatura de calentamiento aumentó de 100 a 130 °C, la masa fundida de polímero estirada necesitó un tiempo de solidificación más largo, y la masa fundida cayó como agua goteando, formando una estructura anudada en el filamento (Fig. 2f) debido a la interacción sinérgica de la viscosidad y la tensión superficial38. Para fabricar una estructura helicoidal, estiramos y soltamos el filamento durante más de 10 ciclos antes de que el filamento se enfriara y luego lo dejamos libre para curvarse bajo tensión residual (Fig. 2g). La estructura del plectonema (Fig. 2h) se formó automáticamente girando los dos extremos del filamento recto en direcciones inversas simultáneamente.

Para construcciones de plantillas 3D más complejas, como una estructura cónica y una estructura hiperboloide, primero fabricamos un marco 3D y luego unimos las plantillas en el marco con el patrón correspondiente, como se demuestra en la Fig. 2i, k. Primero se fabricó un molde de superficie de sillín PDMS mediante inyección de molde, y luego se produjo el patrón de plantilla suave en una geometría de sillín uniendo los filamentos blandos al molde de sillín (Fig. 2j). Se diseñaron ranuras en el molde de la silla para la fijación de la plantilla. Se creó una plantilla suave similar a un árbol pegando filamentos delgados como ramas a una estructura de filamento más grande, como se muestra en la Fig. 2l, m. Todas las plantillas blandas se fabricaron con adhesivo termofusible 3748Q. Las imágenes de las plantillas blandas (Fig. 2c-h) se observaron con un microscopio de barrido láser confocal (VK-X1000; Keyence).

Con plantillas flexibles, se pueden generar microcanales eliminando las plantillas de la matriz. Como se muestra en la figura complementaria 1, primero se fijó una plantilla blanda en el centro de un molde. A continuación, se vertió el precursor de PDMS (Sylgard 184, Dow Corning; relación de peso 10:1) en el molde impreso en 3D para sumergir la plantilla blanda y se curó térmicamente a 60 °C durante 12 h. Luego, el PDMS curado se separó del molde. Se aplicó una fuerza a ambos extremos de la plantilla blanda para estirar y despegar la plantilla de la matriz. Finalmente, se produjo una matriz PDMS con un microcanal en su interior. Los microcanales generados a través de esta tecnología de desmoldeo suave se muestran en la Fig. 4a-q. Además, estos microcanales se ilustraron mediante la infusión de un tinte fluorescente y se tomaron imágenes con un microscopio confocal (Nikon A1, Nikon), como se muestra en la Fig. 5 complementaria. El microcanal de 10 µm (Fig. 4a) fue fabricado por el filamento de TPU. Las otras estructuras de microcanales que se muestran en la Fig. 4 y la Fig. 5 complementaria se fabricaron con el adhesivo termofusible 3748Q. Las imágenes de los microcanales (Fig. 4a-k) se observaron con un microscopio de barrido láser confocal (VK-X1000; Keyence).

Todas las pruebas de tensión-deformación para las plantillas rígidas y blandas se realizaron mediante un probador de tracción universal (C42. 203, MTS) a temperatura ambiente. Se sometieron cuatro muestras filiformes diferentes, la resina termoplástica (adhesivo termofusible 3748Q, 3M), poliuretano termoplástico (TPU-95A, eSUN), alambres de cobre (línea Dupont 40P, Risyn) y fibra de nailon (No. 0.4, YNKOO). a las mordazas de la máquina de ensayo respectivamente, con una tasa de estiramiento de 10 mm/min.

Todas las pruebas de desmoldeo se realizaron con un probador de tracción universal (C42. 203, MTS) a temperatura ambiente. La geometría de la muestra se muestra en el recuadro de la Fig. 3e. El ancho y la profundidad de la matriz elástica de las muestras son de 10 y 1 mm, respectivamente. El material de la matriz es PDMS. Cada muestra mantuvo una longitud no incrustada de 10 mm para sujeción durante las pruebas. Para el desmoldeo rígido, se prepararon cuatro longitudes incrustadas diferentes (5, 10, 20 y 30 mm) de filamentos de cobre y nailon. Para el desmoldeo suave, se prepararon cuatro longitudes incrustadas diferentes (10, 20, 30 y 40 mm) de resina termoplástica y filamentos de TPU. Todas las muestras se ensayaron con una tasa de estiramiento de 60 mm/min. Los datos de desmoldeo fueron analizados por Origin 2018.

Se construyó un modelo de análisis de elementos finitos (FEA) (ABAQUS Explicit 2020) para estimar el ángulo de pelado, ya que este ángulo es difícil de medir mediante pruebas. Los materiales fueron fraguados como resina termoplástica y poliuretano hiperelástico con un diámetro de 400 µm y una longitud de 1,2 mm. En el modelo se utilizaron elementos C3D8 cúbicos de primer orden con integración normal. El ángulo θ se define como la deformación del borde de la primera unidad desde el lado fijo, como se muestra en la figura complementaria 4a.

El robot gusano blando se fabricó con silicona (E610, Shenzhen Hong Ye Jie Technology Co.) con una plantilla de resina termoplástica (adhesivo termofusible 3748Q). El cuerpo del robot se fabricó siguiendo el mismo protocolo que se muestra en la Fig. 1 complementaria. El microcanal del plectonema tenía una ligera inclinación (aproximadamente 2,7 °), como se muestra en la Fig. 6a complementaria. Debido al ángulo de inclinación, se generaron una fuerza fuera del plano y una flexión bajo el inflado. Además, el diseño de geometría trapezoidal isósceles en la sección transversal de este robot amplió el movimiento de flexión (consulte la Fig. 6a complementaria) al diferenciar la rigidez de flexión a lo largo de los dos lados.

El robot de zarcillo suave se creó incrustando primero una plantilla de TPU helicoidal larga en la matriz de silicona (Ecoflex 0050, Smooth-on) y despegando la plantilla. Se produjo un microcanal de 150 µm de diámetro y 25 cm de longitud (ver la Fig. 6b complementaria), correspondiente a una relación de aspecto súper alta de 1600. Finalmente, se usó una pequeña cantidad de precursor para bloquear la punta del robot zarcillo. Cuando se aplicó la presión, esta estructura suave y recta se transformó en un estado sinuoso para imitar la estrategia trepadora de los zarcillos (ver Fig. 5b).

El microcanal para el sensor de deformación se fabricó siguiendo el mismo protocolo que se muestra en la figura complementaria 1. Primero, se generó un microcanal recto (longitud: 20 cm y diámetro: 150 µm) en la matriz de silicona (Ecoflex 0050, Smooth-on) por un filamento de TPU. Luego, se inyectó cloruro de sodio saturado - glicerol en la estructura tubular para que funcionara como conductor en el sensor elástico (Fig. 7a complementaria). Finalmente, el canal fue sellado con el precursor de silicona. Los datos de voltaje fueron adquiridos por LabVIEW 2019. La simulación de microcanales que contenían diferentes geometrías de sección transversal bajo estiramiento se realizó en ABAQUS Explicit 2020, y los datos fueron analizados por MATLAB 2019a.

La plantilla helicoidal blanda se generó fijando un filamento de TPU recto en un cono de metal y calentando el filamento con una pistola de aire caliente (200 °C) para alcanzar la plantilla blanda helicoidal de varios diámetros. Luego, esta plantilla helicoidal blanda se fijó primero a un molde, y el precursor de elastómero (Ecoflex 0050, Smooth-on) se vertió en el molde. Después de curar el precursor, se generó el microcanal tirando de la plantilla. A continuación, una jeringa inyectó el metal líquido (-19 °C, Dingguan Metal Technology Co.) en el microcanal. Finalmente, ambos extremos del microcanal fueron sellados con el precursor de silicona.

La antena blanda se fijó a un marco impreso en 3D (Clear, Formlabs) y se adjuntó una lámina de cobre a la parte inferior del marco que funcionaba como placa de tierra. A continuación, la antena se fijó a la abrazadera y el estado deslizante controló la desviación, como se muestra en la Fig. 8c complementaria. Luego se conectó a la antena un analizador vectorial de redes (N5227B, Keysight) para la prueba del coeficiente de reelección.

Con un desmoldeo suave, que no contiene disolventes y es suave, fabricamos diferentes microcanales biocompatibles a partir de una solución acuosa de agarosa (1,5 % p/v). Primero, los filamentos blandos (adhesivo termofusible, 3748Q) se fijaron a un molde impreso en 3D. Luego, la agarosa líquida se vertió en el molde para sumergir las plantillas. Después de solidificar la agarosa, la matriz de agarosa se separó del molde. Finalmente, las plantillas blandas se desmoldaron de los geles de agarosa y se formó una red de microcanales, como se muestra en la figura complementaria 9a, b.

Se adquirieron células endoteliales de vena umbilical humana (HUVEC) de Lonza (número de catálogo: CC-2517); La línea celular BALB/C 3T3 se obtuvo del Cell Resource Centre, Peking Union Medical College (número de recurso: 1101MOU-PUMC000186). Ninguna línea celular utilizada en este estudio se incluyó en la base de datos de líneas celulares mal identificadas mantenida por el Comité Internacional de Autenticación de Líneas Celulares. Para el cultivo celular, las HUVEC se mantuvieron en medio de células endoteliales (ECM, ScienCell) que contenía suero bovino fetal al 5 % (v/v) (FBS, ScienCell), suplemento de crecimiento de células endoteliales al 1 % (v/v) (ECGS, ScienCell) y penicilina-estreptomicina al 1% (v/v) (ScienCell). Se cultivaron células BALB/c 3T3 en medio Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) con alto contenido de glucosa (4,5 g/l, Gibco) que contenía FBS al 10 % (Gibco) y penicilina-estreptomicina al 1 % (Gibco). Todas las células se mantuvieron a 37 °C con 5 % de CO2 en una incubadora humidificada.

Primero se sumergió el molde para el vaso artificial en etanol al 75% durante la noche y se esterilizó con luz ultravioleta (UV) durante una hora antes de su uso. El gel de fibrina (21,5 mg/ml) se formó disolviendo fibrinógeno en DMEM con alto contenido de glucosa (4,5 g/l, Gibco), FBS al 10 % y penicilina-estreptomicina al 1 %. Se aplicó la centrifugación (1500–2000 × g) para eliminar las burbujas de aire. El sedimento de células 3T3 se resuspendió suavemente en la solución de fibrinógeno hasta una concentración de 5–10 × 105 células/mL. A medida que las células se resuspendieron uniformemente y se mezclaron con fibrinógeno, se añadió trombina hasta una concentración final de 3 U/ml. La mezcla de gel de fibrina se añadió rápidamente al modelo y se colocó en una incubadora a 37 °C para la reticulación. Después de 6 h de incubación, el molde se visualizó bajo un estereomicroscopio en la cabina de seguridad biológica y la plantilla blanda (adhesivo termofusible, 3748Q) se desmoldó del gel para generar el microcanal. La suspensión de HUVEC se concentró a 6 × 106 células/ml y primero se sembró en el fondo del canal. Después de una hora de cultivo estático, se dio la vuelta al dispositivo y se sembró la suspensión de HUVEC en la parte superior del canal con otras 2 h de incubación (Fig. 9c complementaria). Las células no adherentes y los desechos celulares dentro del microcanal se eliminaron con medio nuevo. El moho se cultivó con ECM que contenía FBS al 5 %, ECGS al 1 % y penicilina-estreptomicina al 1 % durante 8 h en condiciones estáticas para permitir que las células se adhirieran y se propagaran antes de introducir el flujo hemodinámico mediante la plataforma basculante (Figura complementaria 9d).

Los geles de fibrina con microcanales se tiñeron con un ensayo fluorescente vivo/muerto después de 1 a 2 días de cultivo. Acetoximetilo de calceína (Calcein AM, "live", Yeasen Biotechnology) y yoduro de propidio (PI, "dead", Yeasen Biotechnology) se diluyeron a 5 y 1,5 mM como soluciones madre, respectivamente. La calceína AM y PI se diluyeron con solución salina tamponada con fosfato (PBS) a concentraciones finales de 8 y 3 μΜ y se mantuvieron con el gel durante 20 min a 37 °C. El microcanal dentro del gel de fibrina se lavó suavemente con PBS tres veces y luego se tomaron imágenes con un microscopio confocal (Nikon A1, Nikon).

Para verificar el efecto negativo de la concentración de acetona en la tasa de muerte de las células 3T3, tratamos los geles de fibrina con acetona en diferentes concentraciones (0, 0,5, 1 y 2%, relación de volumen) en los geles de fibrina. La concentración de células 3T3 en los geles de fibrina fue de 1,5 × 106 células/mL. Los vasos artificiales se tiñeron con un ensayo fluorescente vivo/muerto después de 2 días de cultivo, como se muestra en la Fig. 10b complementaria.

Primero preparamos dos plantillas rígidas, un filamento de nylon (diámetro: 200 µm) y un filamento de Nitinol (diámetro: 300 µm), para desmoldeo rígido. Los microcanales en los geles de fibrina se fabricaron siguiendo el mismo protocolo que se muestra en la figura complementaria 1. La concentración de células 3T3 en los geles de fibrina fue de 5 × 105 células/mL, y los microcanales fabricados se muestran en la figura complementaria 10a.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el documento y su información complementaria y del autor correspondiente a pedido.

El código de este estudio ha sido depositado en el repositorio de Code Ocean (https://doi.org/10.24433/CO.0908662.v1) o se puede solicitar a los autores correspondientes.

Williams Joseph, H. Las novedades del tubo polínico de las plantas con flores subyacen a la diversificación de una etapa clave de la historia de la vida. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 105, 11259–11263 (2008).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Olsen, LI & Palmgren, MG Muchos ríos para cruzar: El viaje del zinc desde el suelo hasta la semilla. Frente. ciencia de las plantas 5, 30 (2014).

PubMed PubMed Central Google Académico

Wiedeman, MP Dimensiones de los vasos sanguíneos desde la arteria distribuidora hasta la vena colectora. cir. Res. 12, 375–378 (1963).

Artículo CAS Google Académico

Bhatia, SN e Ingber, DE Órganos microfluídicos en chips. Nat. Biotecnología. 32, 760–772 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Hasan, A. et al. Técnicas microfluídicas para el desarrollo de tejido vascularizado 3D. Biomateriales 35, 7308–7325 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Duffy, DC, McDonald, JC, Schueller, OJ & Whitesides, GM Creación rápida de prototipos de sistemas microfluídicos en poli (dimetilsiloxano). Anal. química 70, 4974–4984 (1998).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Paek, J., Cho, I. y Kim, J. Tentáculos microrobóticos con capacidad de flexión en espiral basados en microtubos elastoméricos diseñados con forma. ciencia Rep. 5, 10768 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sinatra, N., Ranzani, T., Vlassak, J., Parker, K. & Wood, R. Microaccionadores de fluidos blandos reforzados con nanofibras. J. Micromech. Microing. 28, 084002 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Becker, KP, Chen, Y. & Wood, RJ Moldeo por inmersión mecánicamente programable de conjuntos de actuadores blandos de alta relación de aspecto. Adv. Función Mate. 30, 1908919 (2020).

Xu, S. et al. Sensores de fuerza y tensión de fluidos blandos biocompatibles para dispositivos portátiles. Adv. Función Mate. 29, 1807058 (2019).

Artículo PubMed CAS Google Académico

Chossat, J.-B., Park, Y.-L., Wood, RJ y Duchaine, V. Un sensor de deformación suave basado en líquidos iónicos y metálicos. IEEE Sens. J. 13, 3405–3414 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Miller, JS et al. Fundición rápida de redes vasculares modeladas para tejidos tridimensionales perfundibles. Nat. Mate. 11, 768–774 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kinstlinger, IS et al. Generación de tejidos modelo con redes vasculares dendríticas a través de plantillas de carbohidratos sinterizados por láser de sacrificio. Nat. biomedicina Ing. 4, 916–932 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Jones, TJ, Jambon-Puillet, E., Marthelot, J. y Brun, P.-T. Robótica suave de fundición de burbujas. Naturaleza 599, 229–233 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Xu, PA et al. Cordón óptico para redes neuronales aferentes sintéticas. ciencia Robot. 4, eaaw6304 (2019).

Xi, W. et al. Microfluidos tubulares blandos para aplicaciones 2D y 3D. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 114, 10590–10595 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Grigoryan, B. et al. Redes multivasculares y topologías intravasculares funcionales dentro de hidrogeles biocompatibles. Ciencia 364, 458–464 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saggiomo, V. & Velders, AH Método simple de eliminación de andamios impresos en 3D para la fabricación de dispositivos microfluídicos complejos. Adv. ciencia 2, 1500125 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Anderson, JR y col. Fabricación de sistemas microfluídicos tridimensionales topológicamente complejos en PDMS mediante creación rápida de prototipos. Anal. química 72, 3158–3164 (2000).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Su, R. et al. Estructuras elastoméricas autoportantes impresas en 3D para microfluidos multifuncionales. ciencia Adv. 6, eabc9846 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Athanasiadis, M., Pak, A., Afanasenkau, D. & Minev, IR Escritura directa de fibras elásticas con funcionalidad óptica, eléctrica y microfluídica. Adv. Mate. Tecnología 4, 1800659 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Verma, MK, Majumder, A. y Ghatak, A. Fabricación asistida por plantilla integrada de microcanales complejos en PDMS y diseño de un adhesivo microfluídico. Langmuir 22, 10291–10295 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Li, G. & Xu, S. Microcanal de diámetro pequeño de PDMS y red de microcanal tridimensional compleja. Mate. Des. 81, 82–86 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Hwang, Y., Paydar, OH & Candler, RN Moldes impresos en 3D para canales de microfluidos PDMS no planos. Sens. Actuadores A: Phys. 226, 137–142 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Lee, J., Paek, J. y Kim, J. Fabricación basada en sacarosa de canales microfluídicos cilíndricos en red 3D para la creación rápida de prototipos de dispositivos vasomiméticos y lab-on-a-chip. Ficha de laboratorio 12, 2638–2642 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Therriault, D., Shepherd, RF, White, SR & Lewis, JA Tintas fugitivas para ensamblaje de escritura directa de redes microvasculares tridimensionales. Adv. Mate. 17, 395–399 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Lin, Nueva York y col. Reabsorción renal en modelos de túbulos proximales vascularizados en 3D. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 116, 5399–5404 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, JN, Park, C. & Whitesides, GM Compatibilidad con disolventes de dispositivos microfluídicos basados en poli(dimetilsiloxano). Anal. química 75, 6544–6554 (2003).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Nemes, I. Revisión de las aplicaciones de las curvas de presión capilar de drenaje en sistemas de hidrocarburos mojados por agua. Abrir Geosci. 8, 22–38 (2016).

ANUNCIOS Google Académico

Guo, Y., Li, L., Li, F., Zhou, H. y Song, Y. Microcanales de impresión de inyección de tinta basados en una plantilla líquida. Chip de laboratorio 15, 1759-1764 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Stankova, N. et al. Propiedades ópticas del polidimetilsiloxano (PDMS) durante el procesamiento láser de nanosegundos. aplicación Navegar. ciencia 374, 96–103 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Vincent, P. El estrechamiento y estirado en frío de plásticos rígidos. Polímero 1, 7–19 (1960).

Artículo CAS Google Académico

Shabahang, S. et al. Fragmentación controlada de fibras y películas multimaterial mediante estirado en frío de polímeros. Naturaleza 534, 529–533 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Truby, RL & Lewis, JA Impresión de materia blanda en tres dimensiones. Naturaleza 540, 371–378 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kim, Y., Parada, GA, Liu, S. & Zhao, X. Robots continuos blandos ferromagnéticos. ciencia Robot. 4, eaax7329 (2019).

Artículo PubMed Google Académico

Tan, YJ et al. Caracterización, comportamiento mecánico y evaluación in vitro de un andamio estirado por fusión para ingeniería de tejido esofágico. J. Mec. Comportamiento Miomed. Mate. 57, 246–259 (2016).

CAS Google Académico

Loke, G., Yan, W., Khudiyev, T., Noel, G. & Fink, Y. Progreso reciente y perspectivas de la electrónica de fibra multimaterial estirada térmicamente. Adv. Mate. 32, 1904911 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Sahni, V., Labhasetwar, DV & Dhinojwala, A. Microhilos funcionales inspirados en la seda de araña. Langmuir 28, 2206–2210 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Haque, RI, Chandran, O., Lani, S. y Briand, D. Sensor táctil triboeléctrico autoalimentado fabricado con materiales impresos en 3D. Nanoenergía 52, 54–62 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Kendall, K. Peeling de película delgada: el término elástico. J. física. D: aplicación física 8, 1449 (1975).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Bell, MA, Becker, KP & Wood, RJ Moldeo por inyección de robots blandos. Adv. Mate. Tecnología 7, 2100605 (2022).

Artículo Google Académico

Bartlett, NW & Wood, RJ Análisis comparativo de métodos de fabricación para lograr microcanales redondeados en PDMS. J. Micromech. Microing. 26, 115013 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Sima, F. et al. Procesamiento láser tridimensional de femtosegundos para aplicaciones lab-on-a-chip. Nanofotónica 7, 613–634 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Hwang, Y. & Candler, RN Actuadores y canales microfluídicos PDMS no planos: una revisión. Ficha de laboratorio 17, 3948–3959 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Martínez, RV et al. Tentáculos robóticos con movilidad tridimensional basados en elastómeros flexibles. Adv. Mate. 25, 205–212 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Wang, H. et al. Músculos artificiales electrostáticos de inspiración biológica para robots del tamaño de insectos. En t. J.Robot. Res. 40, 895–922 (2021).

Artículo Google Académico

Yuk, H. et al. Actuadores de hidrogel hidráulico y robots camuflados óptica y sónicamente en el agua. Nat. común 8, 1–12 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, YF et al. Actuadores neumáticos en miniatura para robots blandos mediante impresión 3D multimaterial de alta resolución. Adv. Mate. Tecnología 4, 1900427 (2019).

Artículo Google Académico

Liang, X., Sun, Y. & Ren, H. Un enfoque de fabricación flexible hacia la ingeniería de forma de actuadores neumáticos blandos a microescala. Robot IEEE. automático Letón. 2, 165–170 (2016).

Artículo Google Académico

Ilievski, F., Mazzeo, AD, Shepherd, RF, Chen, X. & Whitesides, GM Robótica blanda para químicos. Angew. química 123, 1930-1935 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zhang, Y. et al. Electrodos entrelazados inspirados en la escalada que utilizan memoria de forma para la estimulación y el registro de los nervios periféricos. ciencia Adv. 5, eaaw1066 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Atalay, O. et al. Un sensor de deformación capacitivo altamente estirable basado en la deposición de metal y el rasterizado láser. Adv. Mate. Tecnología 2, 1700081 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Xie, Z., Avila, R., Huang, Y. & Rogers, JA Antenas flexibles y estirables para electrónica biointegrada. Adv. Mate. 32, 1902767 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Yao, B. et al. Antenas altamente estirables y sintonizables mecánicamente basadas en una red tridimensional de metal líquido. Mate. Letón. 270, 127727 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Hayes, GJ, So, J.-H., Qusba, A., Dickey, MD y Lazzi, G. Antena de parche microstrip de aleación de metal líquido flexible (EGaIn). Trans. IEEE. Propagación de antenas 60, 2151–2156 (2012).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Adams, JJ et al. Impresión conformada de antenas eléctricamente pequeñas en superficies tridimensionales. Adv. Mate. 23, 1335-1340 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Entonces, JH et al. Antenas fluídicas reversiblemente deformables y sintonizables mecánicamente. Adv. Función Mate. 19, 3632–3637 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Pries, A. et al. Resistencia al flujo sanguíneo en microvasos in vivo. cir. Res. 75, 904–915 (1994).

Artículo ADS CAS Google Académico

Caprioli, M. et al. Hidrogeles autorregenerables impresos en 3D mediante procesamiento de luz digital. Nat. común 12, 1–9 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Teo, WE y Ramakrishna, S. Una revisión sobre el diseño de electrohilado y los ensamblajes de nanofibras. Nanotecnología 17, R89 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Sun, J.-Y. et al. Hidrogeles altamente estirables y resistentes. Naturaleza 489, 133–136 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Descargar referencias

Agradecemos el apoyo de los siguientes: Fundación Nacional de Ciencias Naturales para Jóvenes Científicos de China (51905256, HW), Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia China de Guangdong (2020A1515010955, HW), Comisión de Ciencia, Tecnología e Innovación del Municipio de Shenzhen (ZDSYS20200811143601004, HW ) y la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Liaoning de China (financiación conjunta del Laboratorio Estatal Clave de Robótica, 2021-KF-22-11, HW), y el Laboratorio de Ingeniería y Ciencias Marinas del Sur de Guangdong (Guangzhou), (K19313901, HW), y Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31970752, PQ), Comisión de Ciencia, Tecnología e Innovación del Municipio de Shenzhen (JCYJ20190809180003689, JSGG20200225150707332, JSGG20191129110812708, PQ). Los autores agradecen la asistencia de SUSTech Core Research Facilities.

Laboratorio clave de Shenzhen de robótica biomimética y sistemas inteligentes, Departamento de Ingeniería Mecánica y Energética, Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, Shenzhen, Guangdong, 518055, China

Dongliang Fan, Renjie Zhu, Xin Yang, Yuxuan Liao, Yunteng Ma y Hongqiang Wang

Laboratorio clave provincial de Guangdong de robótica de rehabilitación y aumento humano en universidades, Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, Shenzhen, 518055, China

Dongliang Fan, Renjie Zhu, Xin Yang, Yuxuan Liao y Hongqiang Wang

Instituto de Ingeniería Biofarmacéutica y de la Salud, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Shenzhen, Guangdong, 518055, China

Xi Yuan, Chufan Xiao, Changyue Liu y Peiwu Qin

Centro de Medicina y Atención Médica de Precisión, Instituto Tsinghua-Berkeley Shenzhen, Shenzhen, Provincia de Guangdong, 518055, China

Xi Yuan, Chufan Xiao, Changyue Liu y Peiwu Qin

Escuela de Diseño de Sistemas y Fabricación Inteligente, Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología, Shenzhen, Guangdong, 518055, China

wenyu-wu

Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad Nacional de Singapur, Singapur, 117575, Singapur

chen chen

Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Marinas del Sur de Guangdong (Guangzhou), Guangzhou, 510000, China

Hongqiang Wang

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

DF y HW concibió el concepto y diseñó la investigación. DF, Xi Yuan, WW, RZ, Xin Yang, YM y CL realizaron los experimentos. WW y YL contribuyeron a la simulación. DF, WW y YL realizaron análisis de datos. DF, Xi Yuan, CC, HW y PQ completaron el manuscrito. HW y PQ supervisó el estudio. Todos los autores proporcionaron comentarios.

Correspondencia a Hongqiang Wang o Peiwu Qin.

HW está solicitando una patente relacionada con el trabajo descrito. Los demás autores declaran no tener intereses contrapuestos.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Fan, D., Yuan, X., Wu, W. et al. Desmoldeo suave autocontraíble para microcanales complejos de alta relación de aspecto. Nat Comun 13, 5083 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z

Descargar cita

Recibido: 04 Octubre 2021

Aceptado: 22 de agosto de 2022

Publicado: 29 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.