Себя

Jun 01, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5083 (2022) Цитировать эту статью

6467 Доступов

7 цитат

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Микроканалы являются важнейшими элементами животных, растений и различных искусственных устройств, таких как мягкая робототехника, носимые датчики и органы на чипе. Однако трехмерные (3D) микроканалы со сложной геометрией и высоким соотношением сторон по-прежнему сложно создавать традиционными методами, такими как мягкая литография, растворение шаблона и процессы набухания матрицы, хотя они широко распространены в природе. Здесь мы предлагаем простой метод изготовления без растворителей, позволяющий создавать монолитные микроканалы со сложной трехмерной структурой, большой длиной и малым диаметром. Мягкий шаблон и процесс удаления шаблона с преобладанием отслаивания вводятся в процесс извлечения из формы, который здесь называется мягким извлечением из формы. В сочетании с технологией термического волочения создаются микроканалы небольшого диаметра (10 мкм), высокого соотношения сторон (6000, длина к диаметру) и сложной трехмерной геометрии. Мы демонстрируем широкую применимость и значительное влияние этой технологии в различных сценариях, включая мягкую робототехнику, носимые датчики, мягкие антенны и искусственные сосуды.

Естественные микрососуды повсеместно существуют у животных и растений, поскольку они имеют решающее значение для транспортировки питательных веществ и удаления побочных продуктов1,2,3. В последние десятилетия искусственные аналоги, а именно микроканалы, стали одной из наиболее быстро развивающихся и широко распространяющихся технологий в самых разных дисциплинах и контекстах, включая разработку лекарств4, биомедицинские исследования4,5, химический анализ6 и, совсем недавно, мягкую робототехнику7,8. ,9, носимые датчики10,11 и искусственные сосуды5,12,13. Например, каналы с высоким соотношением сторон наделили мягкие актуаторы хорошей запутанностью для захвата9,14, а сложные трехмерные оптические шнурки смогли имитировать афферентную сенсорную нейронную сеть15. Микроканалы с высоким соотношением сторон и трехмерной геометрией имеют решающее значение для повышения эффективности сортировки частиц16 и восстановления функции альвеол17. Однако по сравнению с естественными микрососудами создание искусственных микроканалов все еще является сложной задачей из-за их топологической сложности и размера. Исследователи добились либо ультратонких каналов, либо сложных трехмерных структур16,18, в то время как природа создает переплетенные сосуды, сильно различающиеся по диаметру, форме и трехмерной структуре.

Широко распространенный метод мягкой литографии страдает ограниченными формами поперечного сечения (прямоугольные) и пространственными структурами (только двумерные (2D) модели), трудоемким трудом и дорогостоящими производственными устройствами, а также не способен создавать монолитные структуры6,19. Новые методы, такие как аддитивное производство17,20,21, набухание матрицы16,22,23,24 и растворение шаблона12,13,16,18,25,26,27, вряд ли могут создавать сверхтонкие и длинные микроканалы (с высоким соотношением сторон). , и сложной по геометрии с высокой эффективностью. Аддитивное производство может создавать 3D-микроканалы сложной топологической геометрии, но размер элемента и шероховатость поверхности ограничены производственными процессами17,20. Методы набухания матриц требуют процессов набухания и разбухания матриц для извлечения шаблонов, что приводит к короблению матриц и остаткам растворителя28. Сложные и ультратонкие микроканалы можно изготовить методами растворения матрицы, но растворение и дренирование становятся затруднительными из-за капиллярного эффекта, когда каналы имеют размер всего несколько десятков микрометров18,29. Другие методы, такие как использование жидкого шаблона30 и технология лазерной обработки31, имеют ограничения для трехмерной геометрии и создания плавных каналов. Кроме того, сборка 3D-микроканалов сложна из-за процессов фиксации и удаления шаблонов. Большинство современных методов производства не подходят для биологических применений, которые строго требуют нетоксичных и биосовместимых элементов18,22. Следовательно, ожидается, что новые методы создания сложных, нетоксичных и тонких монолитных микроканалов с трехмерной структурой произведут революцию в обширных приложениях, где микроканалы незаменимы.