Electronique Kombucha : circuits électroniques sur tapis kombucha

Jun 12, 2023

Scientific Reports volume 13, Numéro d’article: 9367 (2023) Citer cet article

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Un kombucha est un thé et du sucre fermentés par plus de soixante sortes de levures et de bactéries. Cette communauté symbiotique produit des tapis de kombucha, qui sont des hydrogels à base de cellulose. Les tapis kombucha peuvent être utilisés comme alternative au cuir animal dans l’industrie et la mode une fois qu’ils ont été séchés et durcis. Avant cette étude, nous avons démontré que les tapis de kombucha vivants présentent une activité électrique dynamique et des réponses stimulantes distinctes. Pour une utilisation dans les textiles organiques, les tapis durcis de kombucha sont inertes. Pour rendre les wearables kombucha fonctionnels, il est nécessaire d’intégrer des circuits électriques. Nous démontrons qu’il est possible de créer des conducteurs électriques sur des tapis de kombucha. Après des flexions et des étirements répétés, les circuits conservent leur fonctionnalité. En outre, les capacités et les propriétés électroniques du kombucha proposé, telles que le fait d’être plus léger, moins coûteux et plus flexible que les systèmes électroniques conventionnels, ouvrent la voie à leur utilisation dans une gamme variée d’applications.

Le kombucha est fermenté par une communauté symbiotique de bactéries et de levures1,2,3,4,5. La culture symbiotique de bactéries et de levures produit un hydrogel à base de cellulose, également connu sous le nom de cellulose bactérienne, biofilm, biomasse commensale, champignon du thé, scoby et zooglea. Un thé fermenté par la communauté symbiotique présenterait une gamme de propriétés bénéfiques pour la santé2,6,7, mais celles-ci ne seront pas discutées dans le présent travail.

Les tapis Kombucha sont des systèmes symbiotiques uniques où plus de soixante espèces de levures et de bactéries coopèrent1. Un kombucha est un exemple de proto-multicellularité – un organisme combiné de plusieurs espèces, chacune poursuivant un objectif commun de prolonger la durée de vie de l’organisme collectif. Les propriétés électriques des tapis de kombucha, découvertes pour la première fois dans8, peuvent faire avancer les idées sur l’intégration basée sur l’électricité et, éventuellement, la protocognition d’organismes symbiotiques9,10,11,12. Il a été démontré que des tapis de cellulose bactérienne similaires, par exemple, produits par les colonies d’Acetobacter aceti, présentent des propriétés électriques et des capacités de détection de pression intéressantes13.

Les tapis Kombucha, lorsqu’ils sont correctement durcis, présentent des propriétés similaires à celles des textiles14,15,16,17,18,19 et pourraient constituer une alternative compétitive au cuir fongique et aux appareils portables20,21.

Les dispositifs portables en kombucha, bien qu’ils ne soient pas un concept communément connu, pourraient potentiellement offrir plusieurs avantages. Le kombucha forme un tapis à base de cellulose à la surface. Ce matériau cellulosique possède des propriétés uniques qui en font un candidat prometteur pour la technologie portable. Voici quelques raisons pour lesquelles les wearables en kombucha pourraient être importants:

Durabilité: Les wearables Kombucha pourraient être plus durables que les matériaux portables traditionnels. Le matériau à base de cellulose est biodégradable, renouvelable et peut être cultivé en utilisant des ingrédients simples comme le thé et le sucre. Il a le potentiel de réduire l’impact environnemental associé à la production et à l’élimination des dispositifs portables traditionnels fabriqués à partir de matériaux synthétiques.

Biocompatibilité: Le matériau cellulosique dérivé du kombucha est généralement biocompatible, ce qui signifie qu’il est moins susceptible de provoquer des réactions indésirables au contact de la peau humaine. Cela en fait un matériau potentiellement approprié pour les personnes ayant la peau sensible ou des allergies.

Personnalisation: Le matériau kombucha peut être moulé en différentes formes et tailles au cours de son processus de croissance, ce qui permet des vêtements personnalisés qui peuvent se conformer aux formes et aux besoins individuels du corps. Cette flexibilité pourrait conduire à une amélioration du confort et des performances.

Respirabilité et gestion de l’humidité: Les appareils portables à base de kombucha ont le potentiel d’être très respirants, permettant la circulation de l’air et réduisant l’accumulation d’humidité sur la peau. Cette propriété pourrait être bénéfique pour les vêtements de sport ou d’autres applications où la gestion de l’humidité est importante. De plus, l’absorption d’eau de kombucha aura des effets sur l’augmentation de la conductivité en vrac du kombucha; L’adhérence à la peau est également augmentée après l’absorption de la sueur, ce qui rend possible des patchs d’auto-adhérence en matières végétales.

Intégration des capteurs: Les dispositifs portables Kombucha pourraient potentiellement intégrer des capteurs et de l’électronique dans le matériau lui-même, offrant une intégration transparente et discrète de la technologie avec le corps humain. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour surveiller les mesures de santé, suivre les mouvements ou fournir un retour haptique.

Il convient de noter que si le concept de dispositifs portables en kombucha est prometteur, il s’agit toujours d’un domaine émergent de recherche et développement. Les défis liés à la durabilité, à l’évolutivité et à la production de masse devraient être résolus avant que de tels dispositifs portables ne deviennent monnaie courante. Cependant, le potentiel de durabilité et les propriétés matérielles uniques font des wearables kombucha une perspective intrigante pour l’avenir.

À la lumière des recherches en cours sur les mécanismes de détection et de calcul intégrés dans les dispositifs portables vivants22,23,24,25, nous visons à évaluer les tapis zoogleal kombucha en tant que dispositifs portables cyber-physiques potentiellement intégrables avec des propriétés électriques non linéaires et non triviales. Pour atteindre cet objectif, nous testons si les composants de base des circuits électriques peuvent être fabriqués sur des tapis de kombucha secs.

Les circuits électriques modernes nécessitent des connexions électriques fiables entre les composants électroniques (y compris les capteurs) et les signaux externes pour leur construction et leur fonctionnement continu26,27,28. Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont généralement construites à partir de sérigraphie, de masque de soudure, de cuivre et de substrat29,30. La sélection des matériaux est cruciale pour le bon fonctionnement des cartes de circuits imprimés, en particulier le comportement thermique. La majorité des substrats de PCB appartiennent à l’une des deux catégories suivantes : dur/rigide ou souple/flexible. Les matériaux à base de céramique offrent généralement une excellente conductivité thermique, de bonnes propriétés diélectriques, une température de fonctionnement élevée et un faible coefficient de dilatation. Le matériau rigide le plus populaire est le FR-4, un stratifié époxy renforcé de verre qui est à la fois peu coûteux et polyvalent31,32. Au-dessus de quelques GHz, la perte diélectrique importante (facteur de dissipation) du FR-4 le rend inadapté aux circuits numériques ou analogiques haute fréquence à grande vitesse33,34.

Les PCB pour les appareils portables doivent être mécaniquement flexibles, étanches et antichocs et, par défaut, légers35,36,37,38,39. Traditionnellement, ils sont à base de plastique, bien qu’ils manquent généralement de durabilité et de rentabilité. Les matériaux souples polymères offrent une résistance supérieure aux cycles d’étirement, de flexion et de lavage40. De plus, les wearables sont destinés à interagir étroitement avec leur porteur, donc la biocompatibilité est avantageuse, ou du moins la résistance à l’environnement chimique actif offert par la peau humaine. Par conséquent, la combinaison de PCB biosourcés et de composants biodégradables (y compris les circuits intégrés) est particulièrement avantageuse pour les wearables.

Les tapis Kombucha se sont avérés robustes à la déchirure et ne sont pas détruits même par immersion dans l’eau pendant plusieurs jours. Le tapis a survécu à la température du four jusqu’à 200 ° C, mais brûle lorsqu’il est exposé à une flamme nue. Nous avons démontré qu’il est possible (1) de découper avec précision des tapis de kombucha avec laser, (2) d’imprimer par jet d’aérosol des circuits PODOT:PSS sur des tapis de kombucha, (3) d’imprimer en 3D du TPU et du composite métal-polymère sur des tapis de kombucha, (4) de dessiner des pistes conductrices et d’arranger des éléments fonctionnels avec des peintures conductrices.

Tapis Kombucha découpés à l’aide d’une découpeuse laser (a) lettres et trous de différentes tailles, (b) trou nominal de 1 mm coupé à \(\sim\)1,1 mm de diamètre avec \(\sim\)25 W de puissance laser, (c) trou nominal de 1 mm coupé à \(\sim\)1,0 mm de diamètre avec \(\sim\)18 W de puissance laser, (d) trous nominaux de 1 mm seulement partiellement découpés à \(\sim\)1,0 mm de diamètre avec \(\sim\)10 W de puissance laser.

La découpe laser s’est avérée être une procédure sans problème. Des exemples de tapis de kombucha découpés avec une découpeuse laser sont montrés à la Fig. 1. Les réglages du laser (p. ex. vitesse de mouvement, puissance du faisceau et nombre d’impulsions laser par pouce) se sont avérés essentiels à une coupe précise. Le réglage optimal pour une épaisseur de 0,45 ± 0,1 mm s’est avéré être de 80 pouces par seconde, \(\sim\)18 W et 500 impulsions par pouce, comme le montre la Fig. 1c. Si la puissance du faisceau est élevée au-dessus du niveau optimal, la coupe devient plus large que souhaitable, comme le montre la Fig. 1b. Inversement, si la puissance du faisceau est inférieure au niveau optimal, le tapis n’est que partiellement coupé, comme le montre la Fig. 1d. Avec des réglages optimisés, les tapis de kombucha se sont avérés bien couper avec un minimum de fumée. Certaines sections coupées devaient être agitées libres pour être enlevées.

Des conducteurs électriques organiques ont été imprimés par Aerosol Jet Printing (AJP) dans le but de créer des circuits sur des tapis de kombucha, exploités comme substrats potentiels dans l’électronique portable. Les circuits sur kombucha peuvent agir en perspective comme des capteurs ou des biocapteurs, couplés également à des antennes imprimées pour la communication de données sans fil et le stockage dans les nuages. Ici, nous allons explorer les propriétés de base des traces imprimées sur la surface du kombucha.

L’impression à jet d’aérosol est particulièrement adaptée à l’impression sur des surfaces irrégulières, des substrats flexibles et/ou extensibles en matériaux naturels (biopolymères) car elle fonctionne en mode sans contact à une distance fixe du substrat. Les principes et mécanismes de base des techniques AJP ont été discutés dans la littérature41,42,43,44. Cette technologie appartient au secteur de la fabrication additive et offre des avantages par rapport à d’autres technologies bien connues et largement diffusées, telles que l’impression à jet d’encre (normalement appelée encres liquides projetées à l’aide de buses thermiques ou piézoélectriques45).

Une formulation hautement conductrice de PEDOT:PSS a été utilisée comme encre : 2 ml d’encre ont été téléchargés dans l’atomiseur à ultrasons de l’AJP 200, en réglant les débits de gaz à 30 et 25 sccm pour l’atomiseur et le gaz de gaine, respectivement. Une buse de 200 ums a été montée sur la tête imprimée. Le tirage a été exploité dans des conditions fraîches pour éviter l’exposition du kombucha aux traitements thermiques. Les éléments du circuit élémentaire ont été imprimés tout d’abord, 3 électrodes circulaires (2 mm de diamètre) à une distance fixe, agissant comme électrodes de travail, de compteur et de référence, pour l’évaluation de l’impédance de l’interface électrode-kombucha, par analyse par spectroscopie électrochimique d’impédance (EIS).

Exemples de dépôt de circuits PEDOT:PSS et mesures des propriétés électriques a) PEDOT:plaquettes rondes PSS à une distance fixe les unes des autres avec pistes d’interconnexion b) Buse d’impression à jet d’aérosol c) espace défini entre les pistes d) électrodes à ressort sur tampons PEDOT:PSS e) électrodes à ressort à ressort à la surface du kombucha f) hydratation de PEDOT: PSS.

Propriétés électriques du tapis kombucha avec et sans circuits PEDOT:PSS (a) impédance par rapport aux réglages de spectroscopie de fréquence (b).

Des exemples de dépôt de circuits PEDOT:PSS et des mesures des propriétés électriques sont présentés à la Fig. 2. La figure montre les données acquises de l’EIS sur (1) trois points libres sur la surface du kombucha; (2) trois électrodes PEDOT:PSS utilisées comme électrodes de travail (RE), de compteur (CE) et de référence (RE), placées à des distances fixes et identiques aux points libres de (1); (3) les mêmes mesures de (2) après hydratation, où l’hydratation a été effectuée en plaçant 20 \(\upmu L\) de gouttes d’eau dans la zone environnante des électrodes sur la surface du kombucha. Étant donné que le kombucha est un matériau à base de cellulose, il est très sensible à l’absorption d’eau, et l’absorption d’eau dans le squelette du kombucha rend la feuille de kombucha plus conductrice. Les mesures d’impédance augmentent presque instantanément après la chute de l’eau et se stabilisent rapidement; Les mesures après 30 minutes après la chute d’eau montrent un signal plus stable. Les propriétés électriques du tapis kombucha avec et sans circuits PEDOT:PSS sont montrées à la Fig. 3.

Impression 3D de pistes flexibles en TPU (avec 15% de remplissage de carbone) sur tapis de kombucha.

Des exemples de traces de TPU (avec 15% de remplissage de carbone) imprimées en 3D sur tapis de kombucha sont montrés à la Fig. 4. La résistance de la voie du TPU (avec 15 % de remplissage de carbone) et de l’Electrifi (composite métal-polymère – polyester biodégradable et cuivre) variait avec la largeur et l’épaisseur, comme le résume le tableau 1. Des pistes de 100 mm de longueur ont été mesurées avec un compteur LCR (891, BK Precision, Royaume-Uni). On a constaté que la flexibilité des rails variait avec l’épaisseur. La performance de chaque méthode de fabrication est liée aux capacités du ou des matériaux constitutifs utilisés. Par exemple, le TPU est un élastomère flexible qui offre une résistance mécanique élevée, une bonne résistance chimique et une excellente résistance à l’abrasion. En outre, le TPU a une forte adhérence à une variété de substrats et peut être facilement traité en utilisant une variété de techniques telles que le moulage par injection et l’extrusion. En se mélangeant au carbone, il peut devenir électriquement conducteur. Cependant, la conductivité électrique du TPU reste inférieure à ce qui est souhaitable malgré la charge en carbone. Inversement, Electrifi a une bonne conductivité électrique mais des propriétés mécaniques moins bonnes. Les encres chargées d’argent offrent une conductivité acceptable pour certaines applications, une excellente adhérence à une variété de substrats et un coût modeste. Cependant, l’utilisation d’encres chargées d’argent présente certains inconvénients, tels que la tendance à s’oxyder lorsqu’elles sont exposées à l’air, ce qui entraîne une diminution de la conductivité au fil du temps. Malgré ces inconvénients, l’encre chargée d’argent reste un choix populaire pour l’électronique imprimée en raison de sa facilité de traitement et d’impression. En outre, des progrès ont été réalisés dans le développement d’encres à base de nanoparticules d’argent avec une conductivité électrique améliorée qui peuvent être utilisées dans une variété d’applications telles que les biocapteurs et l’électronique extensible.

Les pistes TPU et Electrifi sont restées attachées au kombucha après quelques jours d’immersion dans l’eau. Leur fixation peut être « mécanique » plutôt que chimique, car les polymères liquides (fondus) sont effectivement « injectés » dans / sur la surface du kombucha, remplissant efficacement toutes les irrégularités de surface qui agissent ensuite comme des « poignées » maintenant la piste en position. La formulation d’encres souples et extensibles est un domaine de recherche actif où de nombreux efforts sont en cours. De nouvelles formulations expérimentales d’encres métalliques aux propriétés extensibles et flexibles ont été proposées récemment, appliquées à l’impression à jet d’encre et à jet d’aérosol. Les pistes imprimées avec ces nouvelles encres auraient le potentiel de s’adapter et de suivre l’étirement et la flexion des substrats inférieurs. Nous sommes en train de tester certaines de ces nouvelles formulations et de fabriquer également des encres maison.

Peinture conductrice électrique, ensemble de données de Bare Conductive (Royaume-Uni).

En ce qui concerne la peinture conductrice d’électricité, des expériences ont démontré que la peinture « conductrice nue »46 adhère bien aux tapis de kombucha et maintient un certain degré de flexibilité. La conductivité électrique typique des pistes est illustrée à la Fig. 5. La résistance des pistes de peinture conductrice sur les tapis de kombucha variait entre 20 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) à 200 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\). Ces valeurs correspondent à peu près à la fiche technique « Conducteur nu »46 avec les pistes « épaisses ». La résistance à la piste de l’encre argentée conductrice XD-120 sur tapis kombucha variait également. Plage typique de 1,5 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) à 10 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)

Quatre technologies pour la fabrication de PCB à base de kombucha ont été explorées l’impression par jet d’aérosol de PODOT: PSS, l’impression 3D de TPU et de composite métal-polymère, l’ajout d’encre avec charge conductrice et la découpe laser. Chacune offrait des avantages et des inconvénients par rapport à d’autres technologies.

Comme le montre la Fig. 6, il est possible de construire des circuits électriques sur des tapis de kombucha. Deux largeurs de voie (\(\sim\)3 et \(\sim\)5 mm) et deux boîtiers (3020 et 5050) de périphériques montés en surface (SMD) sont affichés. Un époxy conducteur en deux parties chargé d’argent (Chemtronics CW240047) a été appliqué manuellement pour fixer mécaniquement et connecter électriquement les CMS aux pistes en polymère. Pour la fabrication en série, les CMS seraient automatiquement montés à l’aide d’une machine à choisir et placer et l’époxy conducteur serait précisément et automatiquement distribué avec des distributeurs en ligne.

Exemple de chenilles en composite métal-polymère (Electrifi) sur tapis kombucha (a) \(\sim\)Voie large de 3 mm avec LED SMD (boîtier 3020) couleur verte (b) \(\sim\)Voie large de 5 mm avec LED SMD (boîtier 5050) couleur blanche (échelle de la règle en mm).

Deux méthodes potentielles de formation de connexions croisées sur des tapis de kombucha via l’impression 3D de matériaux conducteurs - ponts croisés simple face et double face traversante via la découpe de trous laser - sont illustrées Fig. 7.

Méthodes de connexion croisée sur tapis de kombucha (a) pont transversal simple face avec isolant entre (b) double face traversant avec découpe de trous laser.

Les tapis Kombucha montrent des propriétés qui peuvent être exploitées pour envisager des dispositifs potentiels et futurs à base de kombucha. La conduction électrique dépendante de l’hydratation du kombucha permet d’étendre la gamme de fréquences opérationnelles potentielles des électrodes de surface sur des tapis de kombucha, ainsi que d’exploiter le tapis de kombucha comme dispositif de commutation résistif dans une cellule électrochimique plane. La production de tapis de kombucha de haute qualité nécessite des mesures de contrôle de la qualité pour assurer la pureté et la cohérence. L’une des mesures de contrôle de la qualité les plus importantes pour la production de cellulose bactérienne est de s’assurer que le milieu de culture utilisé pour la production est exempt de contaminants. Les contaminants peuvent avoir un impact significatif sur la qualité de la cellulose bactérienne, ce qui entraîne des résultats incohérents. Une autre mesure importante de contrôle de la qualité est l’utilisation de protocoles standardisés pour la récolte et la purification de la cellulose bactérienne. Cela comprend la surveillance du pH, de la température et de la croissance bactérienne pendant le processus de fabrication. La qualité des tapis de kombucha produits peut être contrôlée en ajustant la température du liquide et la concentration des nutriments, conformément aux protocoles publiés48,49,50.

Les recherches futures porteront sur l’impression de circuits fonctionnels avancés, capables de détecter et de reconnaître des stimuli mécaniques, optiques et chimiques, mettant en œuvre la fusion sensorielle et le traitement distribué de l’information.

a) Récipient avec tapis vivant kombucha à la surface de la culture liquide. b) Tapis séché.

Le kombucha zooglea a été d’origine commerciale (Freshly Fermented Ltd, Royaume-Uni) pour cultiver des tapis de kombucha in situ. La perfusion a été préparée comme suit; 2% de thé (PG Tips, Royaume-Uni), 5% de sucre (Silver Spoon, Royaume-Uni) et 1 L d’eau bouillie. Les conteneurs contenant du kombucha (Fig. 8) ont été stockés à température ambiante (20–23\(\,^{\circ }\)C) dans l’obscurité. La solution était actualisée chaque semaine. Les tapis de kombucha ont été retirés du conteneur de culture et séchés à l’air sur du plastique ou du papier à température ambiante (plusieurs techniques ont été essayées).

Quatre technologies de fabrication permettant d’ajouter des pistes conductrices, de fixer des composants électroniques et de couper des profils de tapis de kombucha ont été explorées.

L’impression par jet d’aérosol de PODOT:PSS a été implémentée comme suit. Les électrodes organiques et les lignes d’interconnexion ont été imprimées par Aerosol Jet Printing (AJP200, Optomec, US51) en utilisant une formulation jet d’encre hautement conductrice de PEDOT:PSS (Clevios P JET N V2, Heraeus, US52). Les paramètres d’impression ont été optimisés pour obtenir des traces conductrices sur la surface des tapis de kombucha utilisés comme substrat. Les mesures électrochimiques ont été effectuées par un potentiostat (PalmSens4, PalmSens BV, NL53).

Pour imprimer en 3D du TPU avec 15% de carbone et un composite métal-polymère - polyester biodégradable et cuivre - deux compositions de filament (2,85 mm de diamètre) ont été extrudées à chaud sur des tapis kombucha via une buse de 0,4 mm sur imprimante 3D (S5, Ultimaker, UK54). Les filaments de composition étaient 'Conductive Filaflex Black' rated 3.9 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)55 et 'Electrifi Conductive Filament' rated 0.006 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)56.

Des voies conductrices ont été tracées sur des tapis de kombucha avec deux compositions d’encre conductrice, y compris 'Bare Conductive' classé 55 \(\Omega \hbox {sq}^{-1}\) à 50 \({\upmu }\hbox {m}\) d’épaisseur57 et 'XD-120 conductive silver ink' évalué 0,00003 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)58.

Lorsqu’il s’agissait de mise en forme, des tapis kombucha de \(0,45{\pm 0,1}\) mm d’épaisseur ont été découpés avec une découpeuse laser CNC de 75 W (Legend 36EXT, Epiloglasers, US,59) tandis que les paramètres (vitesse de mouvement, puissance du faisceau, impulsions par pouce) ont été ajustés pour déterminer les réglages optimaux.

Les ensembles de données brutes obtenues dans cette étude sont disponibles auprès de l’auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous sommes reconnaissants à Geoff Sims pour la découpe laser des tapis de kombucha. Nous remercions le support technique d’Ultimaker/MakerBot pour ses conseils sur l’optimisation des paramètres d’impression avec Ultimaker S5. Nous remercions le Dr Shengrong Ye (Multi3D) pour ses conseils sur l’impression 3D du filament Electrifi.

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Andrew Adamatzky, Neil Phillips, Alessandro Chiolerio, Anna Nikolaidou & Georgios Ch. Sirakoulis

Institut des matériaux pour l’électronique et le magnétisme, Conseil national de recherches (IMEM-CNR), Parme, Italie

Giuseppe Tarabella & Passquale D’Angelo

Istituto Italiano di Tecnologia, Center for Converging Technologies, Soft Bioinspired Robotics, Via Morego 30, 16165, Gênes, Italie

Alessandro Chiolerio

Département de génie électrique et informatique, Université Démocrite de Thrace, Xanthi, Grèce

Andrew Adamatzky et Georgios Ch. Sirakoulis

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Correspondance avec Andrew Adamatzky.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adamatzky, A., Tarabella, G., Phillips, N. et coll. Electronique Kombucha: circuits électroniques sur tapis de kombucha. Sci Rep 13, 9367 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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Reçu: 08 février 2023

Acceptée: 31 mai 2023

Publication : 9 juin 2023

DEUX : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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