DE102024203913B3 - Coating for a cavity array for a microfluidic device in point-of-care diagnostics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung (10) für ein Kavitätenarray (110), wobei die Beschichtung (10) eine Polymermatrix (11) umfasst, wobei in der Polymermatrix (11) Reagenzien (13) eingebettet sind, insbesondere Reagenzien (13) für die Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, und wobei die Beschichtung (10) eine Deckschicht (12) umfasst, wobei die Deckschicht (12) ein bei Erwärmung wasserlösliches Polymer für eine Freisetzung der Reagenzien (13) aufweist, wobei die Deckschicht (12) auf die Polymermatrix (11) aufgebracht ist. The invention relates to a coating (10) for a cavity array (110), wherein the coating (10) comprises a polymer matrix (11), wherein reagents (13) are embedded in the polymer matrix (11), in particular reagents (13) for carrying out a nucleic acid amplification, and wherein the coating (10) comprises a cover layer (12), wherein the cover layer (12) has a polymer which is water-soluble when heated for releasing the reagents (13), wherein the cover layer (12) is applied to the polymer matrix (11).
Description
Stand der TechnikState of the art
In der molekularen Diagnostik können Erkrankungen auf Basis von Nukleinsäure-Biomarkern (DNA oder RNA) der Krankheitserreger nachgewiesen werden. Insbesondere bei der Patientenbehandlung kann ein zügiger Nachweis von Pathogenen über die bevorzugt einzusetzenden Behandlungsoptionen entscheiden. In diesem Fall fordert die klinische Routine zunehmend, so viele Pathogene wie möglich gleichzeitig zu detektieren bzw. abzufragen. In der Regel werden dabei Sonden-basierte Verfahren (qPCR, Microarray, CRISPR/Cas) oder auch Sequenzierungen (NGS) zur Detektion verwendet. Da die relevanten Biomarker/Targets oftmals nur in sehr geringen Mengen im genommenen Patientenmaterial vorkommen, erfolgt der Nachweis in der Regel während oder nach der Nukleinsäureamplifikation des zu untersuchenden Materials, insbesondere über (quantitative) Polymerase-Kettenreaktion ((q)PCR) oder isothermale Amplifikationsverfahren. Der Einsatz solcher Verfahren am Point-of-Care und als patientennahe Sofortdiagnostik kann mit dabei mikrofluidischen Systemen umgesetzt werden, wobei eine Patientenprobe in eine mikrofluidische Kartusche eingegeben und die Kartusche in einem Analysegerät für die Durchführung der Nukleinsäureamplifikation im Inneren der Kartusche angesteuert wird.In molecular diagnostics, diseases can be detected based on nucleic acid biomarkers (DNA or RNA) of the pathogens. Particularly in patient treatment, rapid detection of pathogens can determine the preferred treatment options. In this case, clinical routine increasingly requires the simultaneous detection and interrogation of as many pathogens as possible. Probe-based methods (qPCR, microarray, CRISPR/Cas) or sequencing (NGS) are typically used for detection. Since the relevant biomarkers/targets are often present only in very small quantities in the patient material taken, detection is usually carried out during or after nucleic acid amplification of the material to be examined, particularly using (quantitative) polymerase chain reaction ((q)PCR) or isothermal amplification methods. The use of such procedures at the point of care and as near-patient immediate diagnostics can be implemented using microfluidic systems, whereby a patient sample is inserted into a microfluidic cartridge and the cartridge is controlled in an analysis device to carry out nucleic acid amplification inside the cartridge.
Um mehrere potenzielle Pathogene gleichzeitig nachweisen oder ausschließen zu können, werden parallel eine Vielzahl von Targets abgefragt, welche für eine bestimmte Symptomatik in Frage kommen könnten, was den eindeutigen Nachweis jedes einzelnen Targets erfordert. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung verschiedener Detektionswellenlängen der in der qPCR verwendeten spezifischen Sonde erreicht werden, welche typischerweise auf wenige Targets beschränkt ist. Eine andere Möglichkeit, mehrere Targets gleichzeitig nachweisen zu können, ist das parallele Durchführen von Einzelnachweisen in mehreren Kavitäten eines Kavitätenarrays. Solch ein Verfahren benötigt das Vorlegen von Reagenzien in den entsprechenden Kavitäten, welche einen spezifischen Targetnachweis erlauben (zum Beispiel Oligonukleotide zur Verwendung als Primer oder Sonden). Beispielsweise beschreibt die Patentschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Beschichtung für ein Kavitätenarray. Die Beschichtung umfasst eine Polymermatrix und eine Deckschicht. In der Polymermatrix sind Reagenzien eingebettet, insbesondere Reagenzien für die Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, beispielsweise Oligonukleotide, Primer und/oder Sonden. Die Deckschicht ist auf die Polymermatrix aufgebracht und weist ein bei Erwärmung wasserlösliches Polymer für eine Freisetzung der Reagenzien auf.Against this background, the invention relates to a coating for a cavity array. The coating comprises a polymer matrix and a cover layer. Reagents, in particular reagents for performing nucleic acid amplification, for example, oligonucleotides, primers, and/or probes, are embedded in the polymer matrix. The cover layer is applied to the polymer matrix and comprises a polymer that is water-soluble upon heating to release the reagents.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kavitätenarray für eine mikrofluidische Vorrichtung sowie eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem solchen Kavitätenarray, wobei zumindest eine Kavität, vorzugsweise mehrere Kavitäten eine solche Beschichtung aufweisen. Die mikrofluidische Vorrichtung kann insbesondere als mikrofluidische Kartusche zur Prozessierung mit einem Analysegerät ausgebildet sein. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Beschichten einer, vorzugsweise mehrerer Kavitäten eines Kavitätenarrays. Bei dem Kavitätenarray kann es sich insbesondere um ein Substrat, insbesondere ein Substrat umfassend oder bestehend aus Silizium, mit Ausnehmungen auf einer Seite als Kavitäten handeln. Die Kavitäten können dabei beispielsweise zumindest teilweise töpfchenförmig, zylinderförmig, wabenförmig, halbkugelig und/oder abgerundet ausgeformt sein. Andere Geometrien der Kavitäten mit seitlichen Aussparungen, beispielsweise ein oder mehreren Zacken sind ebenfalls möglich, wobei die Aussparungen vorzugsweise auch mit der Beschichtung befüllt und insbesondere durch die Deckschicht der Beschichtung abgedeckt sind. Beispielsweise kann die Öffnung in die jeweilige Kavität eine oder mehrere Zacken aufweisen. Solche Aussparungen unterstützen ein Befüllung der Kavitäten, da Flüssigkeit durch in Engstellen der Aussparungen wirkende Kapillarkräfte leichter in die Kavitäten eintreten und auch Luft durch beim Befüllen leichter entweichen kann. Zumindest einige der Kavitäten können ein Volumen zwischen 10 Picoliter (pl) bis 10 Mikroliter (µl), bevorzugt 10 Nanoliter (nl) bis 300 nl. aufweisen.The invention further relates to a cavity array for a microfluidic device and to a microfluidic device having such a cavity array, wherein at least one cavity, preferably a plurality of cavities, has such a coating. The microfluidic device can be designed in particular as a microfluidic cartridge for processing with an analytical device. The invention also relates to a method for coating one, preferably a plurality of cavities of a cavity array. The cavity array can in particular be a substrate, in particular a substrate comprising or consisting of silicon, with recesses on one side as cavities. The cavities can, for example, be at least partially pot-shaped, cylindrical, honeycomb-shaped, hemispherical, and/or rounded. Other geometries of the cavities with lateral recesses, for example one or more prongs, are also possible, wherein the recesses are preferably also filled with the coating and in particular covered by the cover layer of the coating. For example, the opening into the respective cavity can have one or more prongs. Such recesses facilitate filling of the cavities, as capillary forces acting in the narrow spaces of the recesses allow liquid to enter the cavities more easily, and air can also escape more easily during filling. At least some of the cavities can have a volume between 10 picoliters (pl) and 10 microliters (µl), preferably 10 nanoliters (nl) and 300 nl.
Durch die Erfindung wird vorteilhafterweise das Risiko einer Verschleppung von in Kavitäten vorgelagerten spezifischen Reagenzien, insbesondere in andere Kavitäten, während einer Befüllung der Kavitäten (Befüllungsphase) mit einer zu prozessierenden oder analysierenden flüssigen Probe deutlich reduziert. Aufgrund des Einbetten der Reagenzien in eine Polymermatrix und anschließende Überschichtung mit einem erst bei höherer Temperatur löslichen Polymer kann die Freigabe dieser Reagenzien gezielt gesteuert werden, insbesondere erst bei Verwendung der Reagenzien für eine Prozessierungs- oder Nachweisreaktion, was vorteilhafterweise die Reaktionseffizienzen erhöht. Die Polymermatrix trägt insbesondere dazu bei, die eingebetteten Substanzen verzögert freizugeben und dadurch das Risiko der Verschleppung in andere Kavitäten zu verringern. Die Deckschicht verhindert die Verschleppung bis zu einer bestimmten Erwärmung, da sie bei moderaten Temperaturen, insbesondere einer Befülltemperatur zwischen beispielsweise 40 und 45 °C noch schwer löslich oder unlöslich ist. Insbesondere kann die Deckschicht erst nach Abschluss der Befüllungsphase und im Zuge einer über Erwärmung bewirkten Denaturierung von in den Kavitäten mit der Probe eingebrachten Nukleinsäuren, insbesondere im ersten Zyklus einer PCR oder als Vorbereitung für eine isothermale Amplifikation, aufgelöst werden, um für eine Amplifikation erforderliche Reagenzien, insbesondere Primer und Sonden, aus der Polymermatrix freizugeben. Damit ist rechtzeitig für die eigentliche Amplifikation eine gute Verfügbarkeit der spezifischen Reagenzien gegeben, während ein Austrag der Reagenzien in Nachbarkavitäten effektiv weitgehend verhindert wird. Ferner erlaubt die Erfindung, auf eine ansonsten übliche kovalente Bindung der Reagenzien auf die Oberfläche der Kavitäten zu verzichten und somit eine bessere Beweglichkeit der Reagenzien zu ermöglichen.The invention advantageously reduces the risk of carryover of specific reagents stored in cavities, in particular into other cavities, during filling of the cavities (filling phase) with a substance to be processed. The release of the reagents can be controlled specifically, particularly when the reagents are used for a processing or detection reaction, which advantageously increases reaction efficiency. The polymer matrix contributes in particular to a delayed release of the embedded substances and thus reduces the risk of carryover to other cavities. The cover layer prevents carryover up to a certain temperature, as it is still sparingly soluble or insoluble at moderate temperatures, particularly a filling temperature between 40 and 45 °C, for example. In particular, the cover layer can be dissolved only after completion of the filling phase and during a denaturation of nucleic acids introduced into the wells with the sample, particularly during the first cycle of a PCR or in preparation for isothermal amplification, in order to release reagents required for amplification, in particular primers and probes, from the polymer matrix. This ensures good availability of the specific reagents in time for the actual amplification, while effectively largely preventing the reagents from being leached into neighboring wells. Furthermore, the invention makes it possible to dispense with the otherwise usual covalent bonding of the reagents to the surface of the wells, thus enabling better mobility of the reagents.
Die Polymermatrix kann ein oder mehrere Polysaccharide, Polyamide, Polyacrylamide, und/oder Polyvinylalkohole umfassen oder aus diesen bestehen, zum Beispiel Dextran als Polysaccharide oder Poly(2-ethyl-2-oxazolin) als Polyamid.The polymer matrix may comprise or consist of one or more polysaccharides, polyamides, polyacrylamides, and/or polyvinyl alcohols, for example dextran as polysaccharides or poly(2-ethyl-2-oxazoline) as polyamide.
Die Polymermatrix kann insbesondere aus einer Polymerlösung gebildet sein, wobei die Polymerlösung Polyacrylamid mit einem molekularen Gewicht zwischen 10.000 und 1.000.000, vorzugsweise zwischen 40.000 und 150.000 umfasst. Gemäß besonderer Ausgestaltung umfasst die Polymerlösung kurzkettiges Polyacrylamid mit einem molekularen Gewicht kleiner als 50.000, vorzugsweise zwischen 10.000-40.000 und/oder mittel- oder langkettiges Polyacrylamid mit einem molekularen Gewicht größer 100.000, vorzugsweise zwischen 100.000 und 1.000.000, umfasst. Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis zwischen den kurzkettigen und den mittel- oder langkettigen Polymeren zwischen 8:1 und 12:1, bevorzugt bei 10:1 Bevorzugt übersteigt die Konzentration des Polyacrylamids nicht 1,0, ganz bevorzugt nicht 0,4 Gewichts% in destilliertem Wasser, um eine ausreichende Dispensierbarkeit der Polymerlösung zu bewahren. Wenn die einzubettenden Reagenzien Oligonukleotide, insbesondere Primer, umfassen, können die Polyacrylamide vorteilhafterweise über die Amidgruppe Wasserstoffbrücken mit den Oligonukleotiden bilden und damit eine Freisetzung wirksam verzögern. Zur Stabilisierung der Oligonukleotide kann der Polymerlösung Trehalose zugesetzt werden.The polymer matrix can in particular be formed from a polymer solution, wherein the polymer solution comprises polyacrylamide with a molecular weight between 10,000 and 1,000,000, preferably between 40,000 and 150,000. According to a particular embodiment, the polymer solution comprises short-chain polyacrylamide with a molecular weight of less than 50,000, preferably between 10,000 and 40,000, and/or medium- or long-chain polyacrylamide with a molecular weight greater than 100,000, preferably between 100,000 and 1,000,000. The weight ratio between the short-chain and the medium- or long-chain polymers is preferably between 8:1 and 12:1, more preferably 10:1. The concentration of the polyacrylamide preferably does not exceed 1.0, most preferably not more than 0.4% by weight in distilled water to maintain sufficient dispensability of the polymer solution. If the reagents to be embedded comprise oligonucleotides, in particular primers, the polyacrylamides can advantageously form hydrogen bonds with the oligonucleotides via the amide group, thus effectively delaying release. Trehalose can be added to the polymer solution to stabilize the oligonucleotides.
Die Deckschicht umfasst vorzugsweise ein bei Erwärmung wasserlösliches Polymer, insbesondere Polysaccharid und/oder Polyacrylamid, oder besteht aus diesem. Durch die temperaturabhängige Löslichkeit kann, wie oben geschrieben, die schützende Wirkung der Deckschicht zu einem gewünschten Zeitpunkt gezielt aufgehoben werden. Beispielsweise umfasst oder besteht die Deckschicht aus Agarose, insbesondere Agarose mit einem Schmelzpunkt geringer als 55°C, welche auch als low melt-Agarose bezeichnet wird.The cover layer preferably comprises or consists of a polymer that is water-soluble upon heating, in particular polysaccharide and/or polyacrylamide. Due to the temperature-dependent solubility, as described above, the protective effect of the cover layer can be selectively removed at a desired time. For example, the cover layer comprises or consists of agarose, in particular agarose with a melting point below 55°C, which is also referred to as low-melt agarose.
Der Deckschicht kann eine weitere Substanz zugesetzt werden, welche die Befüllung der zumindest einen Kavität in der Befüllphase mit der zu untersuchenden Probenflüssigkeit verbessert und sicherstellt, beispielsweise ein Tensid. Damit kann eine Hydrophobität des Polysaccharids, insbesondere der Agarose, zumindest teilweise ausgeglichen und die Befüllbarkeit für eine später zugegebene wässrige Probenflüssigkeit verbessert werden..A further substance can be added to the cover layer to improve and ensure the filling of at least one cavity with the sample liquid to be analyzed during the filling phase, for example, a surfactant. This can at least partially compensate for the hydrophobicity of the polysaccharide, particularly the agarose, and improve the fillability for a later-added aqueous sample liquid.
Das Verfahren zum Beschichten einer, vorzugsweise mehrerer Kavitäten eines Kavitätenarrays, kann die folgenden Schritte umfassen:
- i. Befüllen, insbesondere kontaktloses Dispensen, zum Beispiel Spotten oder Drucken, der zumindest einen Kavität mit einer Polymermatrix und mit Reagenzien, um in der zumindest einen Kavität die Polymermatrix mit den darin eingebetteten Reagenzien auszubilden
- ii. Befüllen, insbesondere kontaktloses Dispensen zum Beispiel Spotten oder Drucken , der zumindest einen Kavität mit einer Deckschicht, wobei die Deckschicht ein bei Erwärmung wasserlösliches Polymer für eine Freisetzung der Reagenzien aus der Polymermatrix umfasst.
- i. Filling, in particular contactless dispensing, for example spotting or printing, the at least one cavity with a polymer matrix and with reagents in order to form the polymer matrix with the reagents embedded therein in the at least one cavity
- ii. Filling, in particular contactless dispensing, for example spotting or printing, of at least one cavity with a cover layer, wherein the cover layer comprises a polymer which is water-soluble when heated for releasing the reagents from the polymer matrix.
Vor dem Befüllen können die einzubettenden Reagenzien in der Polymermatrix gelöst werden.Before filling, the reagents to be embedded can be dissolved in the polymer matrix.
Vor dem Befüllen kann die zumindest eine Kavität zumindest teilweise oder bereichsweise hydrophilisiert werden, beispielsweise über ein kontaktloses Dispensen, zum Beispiel Spotten oder Drucken mit einem Tensid und/oder einer Trehalose.Before filling, the at least one cavity can be hydrophilized at least partially or in regions, for example by contactless dispensing, for example spotting or printing with a surfactant and/or a trehalose.
Nach dem Befüllen der Kavität mit der Lösung umfassend die Polymermatrix mit den darin eingebetteten Reagenzien wird diese Lösung vorzugsweise getrocknet, bevor die Befüllung mit der Deckschicht beginnt. Das Trocknen kann beispielsweise durch Abwarten einer vorgegebenen Zeit, beispielsweise 15 Minuten, bei Raumtemperatur, zum Beispiel bei 20 °C, erfolgen. Alternativ können die Kavität oder das Kavitätenarray für die Trocknung erwärmt werden, beispielsweise auf 40 °C.After filling the cavity with the solution comprising the polymer matrix with the reagents embedded therein, this solution is preferably dried before filling with the The top layer begins to dry. Drying can be achieved, for example, by waiting for a specified time, for example, 15 minutes, at room temperature, for example, 20 °C. Alternatively, the cavity or cavity array can be heated for drying, for example, to 40 °C.
Das Befüllen mit der Deckschicht kann ein mehrfaches Befüllen, insbesondere Spotten mit dem Polymer umfassen.Filling with the cover layer may involve multiple filling, in particular spotting with the polymer.
Wenn die Kavitäten seitlichen Aussparungen, wie oben beschrieben, aufweisen, werden diese Aussparungen vorzugsweise ebenfalls befüllt und damit beschichtet.If the cavities have lateral recesses, as described above, these recesses are preferably also filled and coated.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.Embodiments of the invention are schematically illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, and a repeated description of the elements is omitted.
Es zeigen
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kavitätenarrays, -
2a -c schematische Momentaufnahmen zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren und der erfindungsgemäßen Beschichtung sowie -
3 ein Flussdiagramm zu dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren.
-
1 an embodiment of a microfluidic device according to the invention with an embodiment of a cavity array according to the invention, -
2a -c schematic snapshots of an embodiment of the coating method according to the invention and the coating according to the invention and -
3 a flow chart for the embodiment of the coating method according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Eine biologische Probe, beispielsweise ein Abstrich, Sputum oder Blut kann in eine Aufnahmekammer 101 der Kartusche 100 aufgenommen und in eine Aufbereitungskammer 102 weitergeleitet werden. In der Aufbereitungskammer 102 können in der Probe enthaltene Nukleinsäuren aufgereinigt werden, beispielsweise durch Bindung der Nukleinsäuren an einen Filter (nicht dargestellt) und anschließendem Entfernen von Probenresten durch einen in der Kartusche, beispielsweise in einer Reagenzienkammer 104, vorgelagerten Waschpuffer, welcher durch die Aufbereitungskammer 102 in eine Abfallkammer 105 geleitet wird. Wenn sich die Nukleinsäuren noch in Zellen in der Probe befinden, kann das Zellen für die Freisetzung der Nukleinsäuren lysiert werden, beispielsweise durch Vermischen der Probe mit einem in einer weiteren Reagenzienkammer 103 vorgelagerten Lysepuffer vor der Aufreinigung. Bei dem Lysepuffer kann es sich auch um einen kombinierten Lyse- und Bindepuffer handeln, welcher neben der Lyse auch günstige chemische Bedingungen für eine Bindung der Nukleinsäuren an den Filter einstellt. Nach der Aufreinigung können die Nukleinsäuren, beispielsweise mit Hilfe eines Eluatmediums, wieder vom Filter gelöst und die Amplifikationskammer 106 befördert werden, in welcher sich das Kavitätenarray 110, beispielsweise in Form eines Siliziumsubstrats, befindet (in
Die
In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 500 können die Reagenzien 13, die in die Beschichtung aufgenommen werden sollen, insbesondere Primer (Oligonukleotide) und Sonden für erregerspezifische Nachweise, in einer wässrigen Polymermatrix gelöst werden. Die Polymermatrix kann dabei Polysaccharide, zum Beispiel Dextran beispielsweise mit einer Konzentration von mehr als 2 Gewichts-% gelöst, Polyamide, zum Bespiel Poly(2-ethyl-2-oxazolin) , Polyacrylamide, oder Polyalkoholen, insbesondere Polyvinylalkohole, aufweisen. Bevor in einem dritten Schritt 503, wie in
Wie in
Wie bereits oben ausgeführt, hat die Deckschicht 12 den Vorteil, dass bei einer Befüllung der Kavität 111 unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Deckschicht, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 40 und 45 °C im Falle der low-melt-Agarose, noch keine Auflösung der Beschichtung 10 erfolgt, während bei Erwärmung auf Temperaturen oberhalb von 50 bis 60 °C, beispielsweise oberhalb von 52 °C im Falle der low-melt-Agarose, insbesondere im Denaturierungsschritt des ersten Zyklus einer PCR, welche üblicherweise einer Erwärmung auf über 90 °C mit sich bringt, die Deckschicht 12 aufgelöst und die Reagenzien 13 aus der Polymermatrix 11 vorzugsweise verzögert freigegeben werden.As already explained above, the
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2024
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-
2025
- 2025-04-08 WO PCT/EP2025/059553 patent/WO2025223824A1/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996000301A1 (en) * | 1994-06-24 | 1996-01-04 | The University Of Houston | Encapsulated pcr reagents |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CHEN, [u.a.]: An integrated, self-contained microfluidic cassette for isolation, amplification, and detection of nucleic acids. Biomed. Microdevices (2010) 12 (4) 705-19 * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025223824A1 (en) | 2025-10-30 |
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