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Jun 01, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5083 (2022) Citer cet article

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Les microcanaux sont des éléments essentiels chez les animaux, les plantes et divers dispositifs artificiels tels que la robotique douce, les capteurs portables et les organes sur puce. Cependant, les microcanaux tridimensionnels (3D) présentant une géométrie complexe et un rapport d'aspect élevé restent difficiles à générer par des méthodes conventionnelles telles que la lithographie douce, la dissolution de modèles et les processus de gonflement de matrice, bien qu'ils soient répandus dans la nature. Nous proposons ici une méthode de fabrication simple et sans solvant capable de produire des microcanaux monolithiques avec des structures 3D complexes, de grande longueur et de petit diamètre. Un gabarit souple et un processus de retrait du gabarit à dominante pelage sont introduits dans le processus de démoulage, appelé ici démoulage doux. En combinaison avec la technologie d'étirage thermique, des microcanaux de petit diamètre (10 µm), un rapport d'aspect élevé (6 000, longueur/diamètre) et des géométries 3D complexes sont générés. Nous démontrons la vaste applicabilité et l’impact significatif de cette technologie dans de multiples scénarios, notamment la robotique souple, les capteurs portables, les antennes souples et les vaisseaux artificiels.

Les vaisseaux naturels à micro-échelle existent partout chez les animaux et les plantes car ils sont essentiels au transport des nutriments et à l’élimination des sous-produits1,2,3. Au cours des dernières décennies, leurs homologues artificiels, à savoir les microcanaux, ont été parmi les technologies les plus émergentes et les plus répandues dans diverses disciplines et contextes, notamment la découverte de médicaments4, les études biomédicales4,5, l'analyse chimique6 et, plus récemment, la robotique douce7,8. ,9, des capteurs portables10,11 et des vaisseaux artificiels5,12,13. Par exemple, des canaux à rapport d’aspect élevé dotaient les actionneurs souples d’un grand enchevêtrement pour la préhension9,14, et des lacets optiques 3D complexes étaient capables d’imiter le réseau neuronal sensoriel afférent15. Les microcanaux à rapport d'aspect élevé avec des géométries 3D sont essentiels pour améliorer l'efficacité du tri des particules16 et la fonction des alvéoles réapparues17. Cependant, comparée aux micro-vaisseaux naturels, la création de microcanaux artificiels reste un défi en raison de leur complexité topologique et de leur taille. Les chercheurs n’ont réalisé que des canaux ultrafins ou des structures 3D complexes16,18, alors que la nature génère des vaisseaux entrelacés variant considérablement en diamètre, en forme et en structure 3D.

La technique de lithographie douce, largement acceptée, souffre de formes transversales (rectangulaires) et de structures spatiales limitées (motifs bidimensionnels (2D) uniquement), d'une main d'œuvre intensive et de dispositifs de fabrication coûteux, et elle est incapable de générer des structures monolithiques6,19. Les méthodes émergentes, telles que la fabrication additive17,20,21, le gonflement de matrice16,22,23,24 et la dissolution de modèles12,13,16,18,25,26,27, peuvent difficilement générer des microcanaux ultrafins et longs (rapport d'aspect élevé). , et de géométrie complexe avec une grande efficacité. La fabrication additive peut générer des microcanaux 3D dans des géométries topologiques complexes, mais la taille des caractéristiques et la rugosité de la surface sont limitées par les processus de fabrication17,20. Les méthodes de gonflement de matrice nécessitent des processus de gonflement et de dégonflement des matrices pour le démoulage des gabarits, qui provoquent un flambage des matrices et des résidus de solvant28. Des microcanaux complexes et ultra-minces peuvent être fabriqués par des méthodes de dissolution sur modèle, mais la dissolution et le drainage deviennent difficiles en raison de l'effet capillaire lorsque les canaux ne mesurent que quelques dizaines de micromètres18,29. D'autres méthodes, telles que l'utilisation d'un modèle liquide30 et de la technologie de traitement laser31, souffrent de limitations en matière de géométries 3D et de génération de canaux fluides. De plus, l’assemblage de microcanaux 3D est un défi en raison des processus de fixation et de suppression des modèles. La plupart des méthodes de fabrication actuelles sont inadéquates pour les applications biologiques qui nécessitent strictement des éléments non toxiques et biocompatibles18,22. Par conséquent, de nouvelles techniques générant des microcanaux monolithiques complexes, structurés en 3D, non toxiques et minces, devraient révolutionner les vastes applications dans lesquelles les microcanaux sont indispensables.