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Jun 01, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5083 (2022) Citare questo articolo

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I microcanali sono gli elementi essenziali negli animali, nelle piante e in vari dispositivi artificiali come la robotica morbida, i sensori indossabili e gli organi su chip. Tuttavia, i microcanali tridimensionali (3D) con geometria complessa e proporzioni elevate rimangono difficili da generare con metodi convenzionali come la litografia morbida, la dissoluzione del modello e i processi di rigonfiamento della matrice, sebbene siano diffusi in natura. Qui proponiamo un metodo di fabbricazione semplice e privo di solventi in grado di produrre microcanali monolitici con strutture 3D complesse, lunga lunghezza e piccolo diametro. Nel processo di sformatura vengono introdotti un modello morbido e un processo di rimozione del modello con predominanza di pelatura, qui denominato sformatura morbida. In combinazione con la tecnologia di trafilatura termica, vengono generati microcanali con un diametro piccolo (10 µm), un rapporto di aspetto elevato (6000, lunghezza/diametro) e complesse geometrie 3D. Dimostriamo la vasta applicabilità e l’impatto significativo di questa tecnologia in molteplici scenari, tra cui robotica morbida, sensori indossabili, antenne morbide e navi artificiali.

I vasi naturali su microscala esistono ovunque negli animali e nelle piante poiché sono fondamentali per il trasporto dei nutrienti e la rimozione dei sottoprodotti1,2,3. Negli ultimi decenni, le controparti artificiali, vale a dire i microcanali, sono state tra le tecnologie emergenti e più ampiamente diffuse in diverse gamme di discipline e contesti, tra cui la scoperta di farmaci4, gli studi biomedici4,5, l'analisi chimica6 e, più recentemente, la robotica morbida7,8 ,9, sensori indossabili10,11 e vasi artificiali5,12,13. Ad esempio, i canali ad alto rapporto d'aspetto erano dotati di attuatori morbidi con un grande entanglement per la presa9,14, e complessi lacci ottici 3D erano in grado di imitare la rete neurale sensoriale afferente15. I microcanali ad alto rapporto d'aspetto con geometrie 3D sono fondamentali per migliorare l'efficienza dello smistamento delle particelle16 e la ricomparsa della funzione degli alveoli17. Tuttavia, rispetto ai micro-vasi naturali, la creazione di microcanali artificiali è ancora impegnativa a causa della loro complessità topologica e delle loro dimensioni. I ricercatori hanno ottenuto solo canali ultrasottili o strutture 3D complesse16,18, mentre la natura genera vasi intrecciati che variano notevolmente in diametro, forma e struttura 3D.

La tecnica di litografia morbida ampiamente accettata soffre di forme trasversali limitate (rettangolari) e strutture spaziali (solo modelli bidimensionali (2D)), manodopera intensiva e costosi dispositivi di fabbricazione, e non è in grado di generare strutture monolitiche6,19. I metodi emergenti, come la produzione additiva17,20,21, la matrice gonfia16,22,23,24 e la dissoluzione del modello12,13,16,18,25,26,27 difficilmente possono generare microcanali ultrasottili, lunghi (rapporto d'aspetto elevato) e complesso nella geometria con alta efficienza. La produzione additiva può generare microcanali 3D in complesse geometrie topologiche, ma le dimensioni delle caratteristiche e la rugosità superficiale sono limitate dai processi di fabbricazione17,20. I metodi di rigonfiamento della matrice richiedono processi di rigonfiamento e sgonfiamento delle matrici per la sformatura dei modelli, che causano deformazioni delle matrici e residui di solvente28. Microcanali complessi e ultrasottili possono essere fabbricati mediante metodi di dissoluzione del modello, ma la dissoluzione e il drenaggio diventano difficili a causa dell'effetto capillare quando i canali sono solo decine di micrometri18,29. Altri metodi, come l’utilizzo di template liquidi30 e la tecnologia di elaborazione laser31, presentano limitazioni per le geometrie 3D e la generazione di canali uniformi. Inoltre, l'assemblaggio dei microcanali 3D è impegnativo a causa dei processi di fissaggio e rimozione dei modelli. La maggior parte degli attuali metodi di fabbricazione sono inadeguati per le applicazioni biologiche che richiedono rigorosamente elementi non tossici e biocompatibili18,22. Pertanto, si prevede che nuove tecniche che generano microcanali monolitici complessi strutturati in 3D, non tossici e sottili rivoluzioneranno le vaste applicazioni in cui i microcanali sono indispensabili.