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May 18, 2023

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5083 (2022) Citar este artigo

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Microcanais são os elementos essenciais em animais, plantas e vários dispositivos artificiais, como robótica suave, sensores vestíveis e órgãos em um chip. No entanto, microcanais tridimensionais (3D) com geometria complexa e alta proporção permanecem difíceis de gerar por métodos convencionais, como litografia suave, dissolução de modelo e processos de matriz inchada, embora sejam difundidos na natureza. Aqui, propomos um método de fabricação simples e sem solventes, capaz de produzir microcanais monolíticos com estruturas 3D complexas, longo comprimento e pequeno diâmetro. Um molde macio e um processo de remoção do molde dominante são introduzidos no processo de desmoldagem, que aqui é chamado de desmoldagem suave. Em combinação com a tecnologia de trefilação térmica, são gerados microcanais com diâmetro pequeno (10 µm), alta proporção de aspecto (6.000, comprimento por diâmetro) e geometrias 3D complexas. Demonstramos a vasta aplicabilidade e o impacto significativo desta tecnologia em vários cenários, incluindo robótica suave, sensores vestíveis, antenas flexíveis e embarcações artificiais.

Vasos naturais em microescala existem onipresentes em animais e plantas, uma vez que são essenciais para o transporte de nutrientes e remoção de subprodutos . Nas últimas décadas, as contrapartes artificiais, nomeadamente os microcanais, têm estado entre as tecnologias mais rapidamente emergentes e amplamente difundidas em diversas gamas de disciplinas e contextos, incluindo a descoberta de medicamentos4, estudos biomédicos4,5, análises químicas6 e, mais recentemente, robótica suave7,8 ,9, sensores vestíveis10,11 e vasos artificiais5,12,13. Por exemplo, canais de alta proporção dotaram os atuadores suaves de grande emaranhamento para apreensão , e complexos laços ópticos 3D foram capazes de imitar a rede neural sensorial aferente . Microcanais de alta proporção com geometrias 3D são essenciais para melhorar a eficiência da classificação de partículas e reaparecer a função dos alvéolos . No entanto, em comparação com os micro-vasos naturais, a criação de microcanais artificiais ainda é um desafio devido à sua complexidade topológica e tamanho. Os pesquisadores alcançaram apenas canais ultrafinos ou estruturas 3D complexas, enquanto a natureza gera vasos entrelaçados que variam enormemente em diâmetro, forma e estrutura 3D.

A técnica de litografia suave amplamente aceita sofre de formas transversais limitadas (retangulares) e estruturas espaciais (apenas padrões bidimensionais (2D)), trabalho intensivo e dispositivos de fabricação caros, e é incapaz de gerar estruturas monolíticas6,19. Métodos emergentes, como fabricação aditiva17,20,21, matriz inchada16,22,23,24 e dissolução de modelo12,13,16,18,25,26,27 dificilmente podem gerar microcanais ultrafinos, longos (alta proporção de aspecto) , e complexo em geometria com alta eficiência. A fabricação aditiva pode gerar microcanais 3D em geometrias topológicas complexas, mas o tamanho do recurso e a rugosidade da superfície são limitados pelos processos de fabricação . Os métodos de inchamento de matrizes requerem processos de inchamento e desinchamento das matrizes para desmoldagem dos moldes, o que causa flambagem das matrizes e resíduos de solvente . Microcanais complexos e ultrafinos podem ser fabricados por métodos de dissolução de modelo, mas a dissolução e a drenagem tornam-se desafiadoras devido ao efeito capilar quando os canais têm apenas dezenas de micrômetros . Outros métodos, como o emprego de modelo líquido e a tecnologia de processamento a laser, sofrem limitações para geometrias 3D e geração de canais suaves. Além disso, a montagem de microcanais 3D é um desafio devido aos processos de fixação e remoção de modelos. A maioria dos métodos de fabricação atuais são inadequados para aplicações biológicas que requerem estritamente elementos não tóxicos e biocompatíveis18,22. Conseqüentemente, espera-se que novas técnicas que gerem microcanais monolíticos complexos, estruturados em 3D, não tóxicos e delgados revolucionem as vastas aplicações onde os microcanais são indispensáveis.