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Jun 01, 2023

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

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Los microcanales son 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 suave, la disolución de plantillas y los procesos de hinchamiento de la matriz, aunque están muy extendidos en la naturaleza. Aquí, proponemos un método de fabricación simple y sin solventes capaz de producir microcanales monolíticos con estructuras 3D complejas, de gran longitud y de pequeño diámetro. En el proceso de desmoldeo, al que aquí se hace referencia como desmoldeo blando, se introducen una plantilla blanda y un proceso de eliminación de plantilla predominantemente despegable. En combinación con la tecnología de dibujo térmico, se generan microcanales con un diámetro pequeño (10 µm), una relación de aspecto alta (6000, longitud-diámetro) y geometrías 3D intrincadas. Demostramos la amplia aplicabilidad y el impacto significativo de esta tecnología en múltiples escenarios, incluida la robótica blanda, sensores portátiles, antenas blandas y embarcaciones artificiales.

Los vasos naturales a microescala existen ubicuamente 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, concretamente los microcanales, se encuentran entre las tecnologías que emergen y se difunden más rápidamente 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 blandos de un gran enredo para agarrar9,14, y los cordones ópticos 3D complejos fueron capaces de 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 complejidad topológica y tamaño. Los investigadores sólo han conseguido 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 transversales limitadas (rectangulares) y estructuras espaciales (solo patrones bidimensionales (2D), mano de obra intensiva y costosos dispositivos de fabricación, 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 que sean ultrafinos y largos (alta relación de aspecto) , y complejo en geometría con alta eficiencia. La fabricación aditiva puede generar microcanales 3D en geometrías topológicas intrincadas, pero el tamaño de las características y la rugosidad de la superficie están limitados por los procesos de fabricación17,20. Los métodos de hinchado de matriz requieren procesos de hinchamiento y deshinchamiento de las matrices para el desmolde de las plantillas, lo que provoca pandeo de las matrices y residuos de disolvente28. Se pueden fabricar microcanales complejos y ultrafinos mediante métodos de disolución de plantilla, pero la disolución y el drenaje se vuelven desafiantes debido al efecto capilar cuando los canales tienen solo decenas de micrómetros18,29. Otros métodos, como el empleo de plantilla líquida30 y tecnología de procesamiento láser31, sufren limitaciones en cuanto a geometrías 3D y generación de canales suaves. 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 técnicas novedosas que generen microcanales monolíticos delgados, delgados y estructurados en 3D complejos revolucionen las vastas aplicaciones donde los microcanales son indispensables.

Inspirándonos en el fenómeno de estrechamiento inducido por tensión durante el proceso de estirado en frío de las muestras poliméricas32,33, proponemos un método simple, rápido y sin solventes para generar canales monolíticos 3D de micronivel (Figura complementaria 1). Empleamos una plantilla que es más suave que la matriz y estiramos la plantilla blanda mientras está incrustada en la matriz, para retirar la plantilla de la matriz mediante un proceso de pelado dominante (Fig. 1a, b). Aquí llamamos a esta metodología desmolde 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 desmolde blando y sus aplicaciones típicas. b El proceso de desmoldeo suave: la plantilla primero se incrusta en la matriz, luego se contrae su área de sección 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 cizallamiento y desmoldeo dominado por pelado, respectivamente.

La técnica del desmolde suave contiene dos características principales: una plantilla suave y un proceso de desmolde 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 elabora las plantillas blandas mediante 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 polietileno y poliuretano de bajo costo y ampliamente aplicados. Este método de fabricación es rápido, sencillo y productivo. El filamento se puede producir con una sección transversal circular y un diámetro controlable en un amplio rango desde decenas de micrones hasta cientos de micrones. 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 estiramiento (Fig. 2c). Se pueden generar diámetros variables, como una forma cónica (Fig. 2d), en un solo filamento simplemente alterando la velocidad de estiramiento.

a Los métodos de fabricación de las plantillas blandas, incluido el dibujo direccional, el posprocesamiento 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 estiramiento \(v\) (\(C\) 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 plectonema) fabricadas mediante dibujo directo y posprocesamiento. Las imágenes en c – h son representativas de cinco plantillas suaves independientes (réplicas experimentales). Barras de escala, 100 µm. i – m Plantillas blandas de geometrías complejas 3D (es decir, una superficie cónica, una superficie de silla de montar, una superficie hiperboloide y una estructura en forma de árbol) fabricadas mediante 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 huso en el filamento (Fig. 2f), que resulta de la interacción sinérgica de la viscosidad y la tensión superficial38. Mediante el posprocesamiento se produjeron formas espaciales más complejas. Por ejemplo, se fabricó una plantilla helicoidal estirando aún más el filamento recto antes de que se enfriara completamente (Fig. 2g). Además, generamos una estructura plectonema girando ambos extremos del filamento (Fig. 2h). Mediante la disposición y el ensamblaje de la plantilla, 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 a la hora de 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. complementaria 3). 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 desmolde falla. Sólo cuando la fuerza de fractura crítica es mayor, se puede retirar la plantilla. Suponiendo que la plantilla es un alambre recto simple con una sección transversal redonda, la fuerza cortante \({F}_{{{{{\rm{shear}}}}}}}\) está determinada por:

donde \(\tau\) es el esfuerzo cortante, \(d\) es el diámetro del filamento y \(l\) es la longitud incrustada. La fuerza cortante 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 rígidos de la plantilla, 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, basado en resultados experimentales de este trabajo). Como se muestra en la Fig. 3c y en la Fig. complementaria 3b, c, 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 a la gran fuerza de corte.

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 de sombra representa el rango de falla de desmoldeo. c La curva fuerza/diámetro-desplazamiento con diferentes longitudes embebidas (EL) para plantillas rígidas (cobre). El diámetro del alambre de cobre es de 80 μm. d La fuerza crítica de fractura 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 de sombra representa el fallo de desmoldeo. e La fuerza de extracción de las plantillas blandas. En el recuadro se muestra el despegado de la plantilla blanda de la matriz. Las imágenes del recuadro son representativas de tres procesos de desmoldeo blando independientes (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 ensayos n = 3.

Por el contrario, 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 está limitada por la longitud porque la gran deformación de la plantilla blanda transfiere el mecanismo de desmoldeo a un proceso de pelado (consulte la sección "Métodos" 'Fabricación de los microcanales mediante desmoldeo blando'), y la fuerza de pelado no tiene relación con la longitud incrustada de la plantilla blanda (Fig. 3d, f). La fuerza de despegado \({F}_{{{{{{\rm{peel}}}}}}\) para el desmoldeo suave de resina termoplástica (adhesivo termofusible, 3748Q) se puede expresar mediante la ref. 40:

donde \(d\) es el diámetro del filamento, \(\theta\) es el ángulo de despegado y \({\Delta E}_{S}\) es la energía adhesiva. La fuerza de despegado 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 desmolde blando es significativamente diferente del desmolde rígido mostrado anteriormente (ver " Métodos” apartado 'Caracterización mecánica y ensayos de desmoldeo'). Como se muestra en las figuras complementarias 4a, b, cuando se somete a una fuerza de estiramiento, la tensión aumenta de manera estable y el ángulo de despegue disminuye, mientras que la fuerza primero surge bajo una tensión corta y luego permanece estable en un rango amplio para los resultados de la simulación ( ver “Métodos” sección 'Simulación del ángulo deformado'). En nuestros experimentos de desmolde suave se observa que el inicio del pelado ocurre cuando la fuerza de pelado alcanza una meseta (Figura complementaria 4c). Para diámetros más grandes, la fuerza de despegue aumenta y los ángulos de despegue consiguientes son diferentes (Fig. 3d y Fig. complementaria 4c). El fallo en el desmolde siempre se produce en la situación en la que la plantilla alcanza su máxima tensión antes de que se inicie el desmolde. Según la simulación, para la plantilla blanda (resina termoplástica) en este trabajo, el desmolde falla cuando el diámetro es inferior a 15,1 µm, como se muestra en la Fig. 3d, ya que el ángulo de despegue excede su valor más grande (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. complementaria 4d – h).

En este caso, la magnitud de la fuerza de extracción de la plantilla blanda es drásticamente menor que la de la plantilla rígida, según la teoría de pelado (Fig. 3f y Fig. 4 complementaria), ya que se puede considerar la tracción directa de la plantilla rígida. 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 desmoldeo suave, fabricamos microcanales con un diámetro tan pequeño como 10 µm (Fig. 4a). Como se muestra en las figuras complementarias 5a, b, también se generó un microcanal con una relación de aspecto de hasta 6000 (alrededor de 10 veces mayor que el valor máximo disponible anteriormente, 6299). Además, la superficie interna del microcanal resultante es lisa (\({S}_{a}\) = 0,018 µm) (Figura complementaria 2b), lo que beneficia a la robótica blanda, las interacciones fluídicas y las aplicaciones ópticas, como la mejora de la presión de estallido. y el ciclo de vida de los actuadores blandos41, mejorando el efecto de conmutación de las válvulas de microfluidos42 y reduciendo la pérdida de intensidad óptica de 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, incluido un cono, una hélice, una silla de montar y una estructura en forma de árbol (Fig. 4b-q y Fig. complementaria 5). Además, la posibilidad de desmoldeo de la plantilla blanda en forma de huso se analizó en la Nota complementaria 2. En comparación con otros métodos, el desmoldeo blando puede generar una mayor flexibilidad geométrica y un tamaño de característica más pequeño44 (las dos características principales de los microcanales) (Fig. 4r y Suplementaria). 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 de huso. 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 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 novedosas estructuras de microcanales 3D. Tanto n como o muestran diferentes vistas del mismo prototipo y lo mismo de p y q. Barras de escala, 5 mm. Las imágenes en a – q son representativas de cinco microcanales independientes (réplicas experimentales). r Tamaño de característica y flexibilidad geométrica para estudios de fabricación de microcanales (la capacidad de ensamblaje no se considera para comparación).

Aquí, demostramos las amplias aplicaciones y el impacto significativo del desmoldeo blando en robótica blanda, sensores portátiles, antenas blandas y vasos 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 sólo puede crear una cámara recta simple. Las soluciones emergentes, como las interfaces de unión química reticulada47, la impresión 3D de fotocurado en estructuras monolíticas48 y los métodos de recubrimiento por inmersión7, adolecen de superficies rugosas, menor resistencia, mayor consumo de tiempo o formas y tamaños limitados.

a El robot blando neumático en estado de torsión imita al milpiés en estado de defensa (recuadro izquierdo) utilizando 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) trepa sobre una varilla después de ser inflado, como el zarcillo real (recuadro izquierdo). c El sensor de tensión suave, delgado y largo (diámetro del canal: 150 µm, longitud: 15 cm) capaz de detectar 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 (insertada): 200 µm. e Los vasos sanguíneos artificiales en geles de fibrina con HUVEC sembrados, fabricados mediante desmoldeo suave. La imagen confocal de las vistas en sección transversal de la imagen (proyección 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.

En este caso, nuestro método de desmoldeo blando puede crear robots blandos en miniatura con microcanales complejos y suaves y estructuras monolíticas. Por ejemplo, inspirado en los gusanos que pueden acurrucarse 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 las cirugías49. Su cámara interior con una estructura plectonema (diámetro: 200 µm, ver Fig. 6a complementaria) fabricada mediante 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 al inflarlo que una cámara. con una sección transversal constante50. También demostramos un robot blando, ultralargo, inspirado en un zarcillo (Fig. 5b y Fig. Suplementaria 6b, 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 zarcillo blando). Presionado por el aire, el robot de zarcillo suave se enroscó alrededor de una varilla, que se puede aplicar para fijar y agarrar, como fijar y monitorear 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 desmolde blando.

Además, utilizando la técnica de desmoldeo suave, fabricamos un sensor estirable con canales ultrafinos de sección transversal lisa y redonda (Figura complementaria 7a 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 su uso debido a sus estructuras voluminosas. Estos problemas se deben principalmente a los métodos de fabricación limitados. Con el desmolde 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 tensión ultralargo similar a un hilo de algodón fabricado con este método y lo integramos perfectamente en una manga tejida. El sensor de tensión suave con el microcanal circular se cosió manualmente en una funda tejida (Fig. 5c). El sensor era compatible con la funda y casi invisible debido a sus características delgadas, largas y semitransparentes, esenciales para los dispositivos portátiles. Este sensor midió con precisión el movimiento del codo mediante la variación de la señal de voltaje (Fig. 5c y Película complementaria 5).

Además, se fabricó una microantena blanda y sintonizable mecánicamente con una estructura conductora helicoidal 3D mediante desmoldeo blando (consulte la sección "Métodos" 'Fabricación de la antena blanda'). Las pequeñas antenas existentes, aunque fundamentales para dispositivos portátiles, sistemas de comunicación hombre-máquina y dispositivos de implante53, están constreñidas por estructuras simples, como geometrías en forma de varilla o planas54,55, o soportes para estructuras 3D55,56. Además, el gran tamaño (varios centímetros) y el marco rígido de las antenas actuales les impiden aplicaciones más amplias. Aquí, fabricamos una microantena suave (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 el metal líquido (Fig. 5d y Fig. complementaria 8), 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 reducidos. Además, con la estructura helicoidal 3D, la antena presenta bajos coeficientes de reflexión de −6,6 y −22,3 dB (menos de −10 dB es suficiente para antenas comerciales57) en dos frecuencias de resonancia (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 y 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, por ejemplo, para 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 convertirse en un organoide de 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 desmolde previo de la plantilla rígida no es apropiado para una matriz frágil, y en el método de disolución de la plantilla, el disolvente residual y el contaminante son citotóxicos para las células vivas18,23. Por lo tanto, nuestro proceso de desmoldeo suave y sin disolventes que requiere una fuerza suave es un enfoque superior para el cultivo celular 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, by Sección de Métodos Fabricación de estructuras de microcanales biocompatibles), que se pueden usar para modelos de enfermedades vasculares. Además, construimos un vaso artificial de sección transversal redonda (diámetro: 150 µm) y uno cónico (el diámetro mínimo: 250 µm y el diámetro máximo: 500 µm) mediante la siembra de células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) en el microcanal. dentro de la matriz de gel de fibrina (consulte la Fig. 5e, la Fig. complementaria 9c – f y la sección "Métodos" 'Fabricación del modelo vascular artificial'). Después de cultivar durante 1 a 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 mostraron una alta tasa de supervivencia (Fig. 5e), lo que demuestra que las arquitecturas del canal pueden proporcionar transporte funcional de nutrientes a la matriz celular cercana. Además, esta estructura vascular se puede utilizar para simular el crecimiento de los vasos y predecir más enfermedades vasculares. Para exhibir las ventajas del desmolde suave, empleamos dos plantillas rígidas para fabricar microcanales en geles de fibrina frágiles, pero la gran fuerza de corte provocó que los microcanales se rompieran (consulte la Fig. 10a complementaria y la sección "Métodos" 'Fabricación de microcanales en geles de fibrina'). mediante desmolde rígido'). También verificamos el efecto negativo de la acetona, que se emplea en la matriz mediante métodos de disolución de matriz hinchada16,22 y 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 figura complementaria 10b. 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 artículo 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 disolventes y puede generar un microcanal con una relación de aspecto muy 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 blando también ofrece un enfoque prometedor para el campo de los microfluidos y la ingeniería de tejidos.

Actualmente, los materiales y el método de fabricación de las plantillas blandas empleados en este trabajo pueden limitarlo a la generación de microcanales más intrincados y delicados. Las investigaciones futuras se centrarán en la mejora del diseño (por ejemplo, diseño asistido por computadora59), el proceso de fabricación (por ejemplo, empleando etapas móviles de alta precisión para escritura directa con tinta34 y tecnología de electrohilado60) y materiales (por ejemplo, hidrogeles, que muestran propiedades de gran elasticidad, tenacidad y autolubricación61) para la generación de plantillas blandas y 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 termofusible 3748Q, 3M) a 120 °C hasta 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 dibujo. Después de eso, sumergimos la punta de una aguja en la masa fundida. La aguja (diámetro: 400 µm) se instaló en una plataforma móvil vertical. Al controlar la velocidad de la etapa de movimiento y levantar la aguja, podríamos extraer un filamento con 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 podrían generar diferentes patrones de plantilla (1D, 2D o 3D) alterando el proceso de estirado térmico y combinando el posprocesamiento 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 se dibujó con 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, el polímero fundido necesitó un tiempo de solidificación más largo y el fundido cayó como agua que goteaba, formando una estructura anudada en forma de huso 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 se enfriara y luego lo dejamos libre para que se curvara bajo tensión residual (Fig. 2g). La estructura 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 silla para la fijación de la plantilla. Se creó una plantilla blanda parecida a un árbol pegando filamentos delgados como ramas a una estructura de filamentos más grande, como se muestra en la Fig. 2l, m. Todas las plantillas blandas estaban hechas de adhesivo termofusible 3748Q. Las imágenes de las plantillas blandas (Fig. 2c – h) se observaron mediante un microscopio de barrido láser confocal (VK-X1000; Keyence).

Con plantillas suaves, se pueden generar microcanales quitando 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 mediante esta tecnología de desmoldeo suave se muestran en las figuras 4a a q. Además, estos microcanales se ilustraron mediante la infusión de 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 con 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 mediante un microscopio de barrido láser confocal (VK-X1000; Keyence).

Todas las pruebas de tensión-deformación para las plantillas rígidas y blandas se realizaron con un probador de tracción universal (C42. 203, MTS) a temperatura ambiente. Se sometieron cuatro muestras filiformes diferentes, 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 abrazaderas de la máquina de prueba respectivamente, con una velocidad 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 10 y 1 mm, respectivamente. El material de la matriz es PDMS. Cada muestra permaneció con una longitud no incrustada de 10 mm para sujetarla durante las pruebas. Para el desmolde rígido, se prepararon cuatro longitudes embebidas diferentes (5, 10, 20 y 30 mm) de filamentos de cobre y nailon. Para el desmolde blando, se prepararon cuatro longitudes incrustadas diferentes (10, 20, 30 y 40 mm) de resina termoplástica y filamentos de TPU. Todas las muestras se probaron con una velocidad 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 despegue, ya que este ángulo es difícil de medir mediante pruebas. Los materiales fueron resina termoplástica y poliuretano hiperelástico con un diámetro de 400 µm y una longitud de 1,2 mm. En el modelo se utilizaron elementos cúbicos C3D8 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 de gusano blando se fabricó utilizando 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 figura complementaria 1. El microcanal plectonema tenía una ligera inclinación (aproximadamente 2,7 °), como se muestra en la figura complementaria 6a. Debido al ángulo inclinado, durante el inflado se generó una fuerza fuera del plano y una flexión. Además, el diseño de geometría de trapezoide isósceles en la sección transversal de este robot amplió el movimiento de flexión (consulte la figura complementaria 6a) al diferir 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 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 presión, esta suave estructura recta se transformó en un estado sinuoso para imitar la estrategia de escalada de los zarcillos (ver Fig. 5b).

El microcanal para el sensor de tensión 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 (Figura complementaria 7a). Finalmente, el canal fue sellado por el precursor de silicona. Los datos de voltaje fueron adquiridos por LabVIEW 2019. La simulación de microcanales que contienen 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 metálico y calentando el filamento con una pistola de calor (200 °C) para alcanzar la plantilla blanda helicoidal de distintos diámetros. Luego, esta plantilla helicoidal blanda se fijó primero a un molde y se vertió el precursor de elastómero (Ecoflex 0050, Smooth-on) en el molde. Una vez curado el precursor, se generó el microcanal sacando 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 por 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, se fijó la antena a la abrazadera y el estado deslizante controló la desviación, como se muestra en la figura complementaria 8c. Luego se conectó un analizador de redes vectoriales (N5227B, Keysight) a la antena para la prueba del coeficiente de reelección.

Con un desmolde suave, sin disolventes y de fuerza 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, se vertió la agarosa líquida en el molde para sumergir las plantillas. Después de que la agarosa solidificó, 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 las figuras complementarias 9a, b.

Las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) se adquirieron de Lonza (número de catálogo: CC-2517); La línea celular BALB/C 3T3 se obtuvo del Cell Resource Center, Peking Union Medical College (número de recurso: 1101MOU-PUMC000186). Ninguna línea celular utilizada en este estudio figuraba en la base de datos de líneas celulares conocidas 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 un 5 % (v/v) de suero bovino fetal (FBS, ScienCell), un 1 % (v/v) de suplemento de crecimiento de células endoteliales (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.

El molde para el recipiente artificial se sumergió primero en etanol al 75% durante la noche y se esterilizó con luz ultravioleta (UV) durante una hora antes de su uso. Se formó gel de fibrina (21,5 mg/ml) disolviendo fibrinógeno en DMEM con alto contenido de glucosa (4,5 g/l, Gibco), 10 % de FBS y 1 % de penicilina-estreptomicina. 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 a una concentración de 5 a 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 su reticulación. Después de 6 h de incubación, se visualizó el molde bajo un estereomicroscopio en la cabina de seguridad biológica y se desmoldó la plantilla blanda (adhesivo termofusible, 3748Q) del gel para generar el microcanal. La suspensión de HUVEC se concentró a 6 x 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 (Figura complementaria 9c). Las células no adherentes y los restos celulares dentro del microcanal se eliminaron con medio nuevo. El molde se cultivó con ECM que contenía 5% de FBS, 1% de ECGS y 1% de penicilina-estreptomicina durante 8 h en condiciones estáticas para permitir que las células se adhieran y se propaguen antes de introducir el flujo hemodinámico mediante la plataforma oscilante (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. Se diluyeron acetoximetilo de calceína (Calcein AM, “live”, Yeasen Biotechnology) y yoduro de propidio (PI, “dead”, Yeasen Biotechnology) a 5 y 1,5 mM como soluciones madre, respectivamente. La calceína AM y PI se diluyeron con solución salina tamponada con fosfato (PBS) hasta concentraciones finales de 8 y 3 μΜ y se mantuvieron con el gel durante 20 minutos 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%, proporción 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 figura complementaria 10b.

Primero preparamos dos plantillas rígidas, un filamento de nailon (diámetro: 200 µm) y un filamento de Nitinol (diámetro: 300 µm), para el desmolde 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 la naturaleza vinculado a este artículo.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo y su información complementaria y del autor correspondiente previa solicitud.

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

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Agradecemos el apoyo de lo siguiente: 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 de la Municipalidad de Shenzhen (ZDSYS20200811143601004, HW ), y la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia China de Liaoning (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.

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Instituto de Ingeniería Biofarmacéutica y de la Salud, Escuela Internacional de Graduados Tsinghua Shenzhen, Shenzhen, Guangdong, 518055, China

Xi Yuan, Chufan Xiao, Changyue Liu y Peiwu Qin

Centro de Medicina de Precisión y Atención Sanitaria, 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 de Ciencia y Tecnología del Sur, Shenzhen, Guangdong, 518055, China

Wenyu Wu

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

Cheng Chen

Laboratorio de Ingeniería y Ciencias Marinas del Sur de Guangdong (Guangzhou), Guangzhou, 510000, China

Hongqiang Wang

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DF y HW concibieron el concepto y diseñaron 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 supervisaron 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 no declaran tener intereses en competencia.

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

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

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique 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 normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener 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 autorretráctil para microcanales complejos de alta relación de aspecto. Nat Comuna 13, 5083 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z

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Recibido: 04 de octubre de 2021

Aceptado: 22 de agosto de 2022

Publicado: 29 de agosto de 2022

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

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