Inom materialvetenskap, ledande och halvledande material kan bäddas in i isolerande polymera substrat för användbara biogränssnittstillämpningar. Dock, det är utmanande att uppnå den sammansatta konfigurationen direkt med hjälp av kemiska processer. Laserassisterad syntes är en snabb och billig teknik som används för att förbereda olika material men deras tillämpningar vid konstruktion av biofysiska verktyg och biomedicinska material återstår att utforska. I en ny rapport, Vishnu Nair och ett forskarlag inom kemi, molekylär ingenjörskonst, fysik och atomsondstomografi vid University of Chicago och Northwestern University, U.S., använde laserskrivning för att omvandla delar av polydimetylsiloxan (PDMS) till kvävedopad kubisk kiselkarbid (3C-SiC). De underlättade elektrokemisk och fotoelektrokemisk aktivitet mellan de två ytorna genom att ansluta det täta 3C-SiC-ytskiktet till PDMS-matrisen med hjälp av ett svampigt grafitskikt. De utvecklade tvådimensionella (2-D) kiselkarbidmönster i PDMS och fristående 3D-konstruktioner. Nair et al. etablerade funktionen hos laserproducerade kompositer genom att applicera flexibla elektroder för isolerad hjärtstimulering och fotoelektroder för lokal peroxidtillförsel till glatta muskelskikt. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Laserstödd materialsyntes

Materialsyntes via laserassisterade processer används ofta på grund av att de är lätta att applicera, låg kostnad och unik kapacitet att generera komplexa faser. Laserproducerade kompositer kan utöka designprinciperna för att utveckla material och anordningar för biologisk avkänning och aktivitet. Till exempel, forskare hade tidigare använt grafen/grafit-baserade ledande material med laserskrivning för att elektrokemiskt känna av metaboliter i svett. I detta arbete, forskargruppen valde en materialplattform förutom kisel för att utföra elektroniska, elektrokemiska, fotokemisk och fototermisk kontroll av biologiska komponenter i flera skala. Nackdelarna med kisel (Si) inkluderar nedbrytning under fysiologiska förhållanden och begränsade elektrokemiska egenskaper. Bioelektronik och biomaterial måste underlätta operativ flexibilitet mer än strukturell precision. Som ett resultat, Det finns en efterfrågan inom biogränssnittsforskningen att införliva tekniker för laserskrivning eller munstycksbaserad utskrift för att utveckla sparsamma och användarvänliga material och enheter.

Nair et al. använde kiselkarbid (SiC) i detta arbete på grund av dess betydelse i halvledarindustrin. Den kubiska 3C-polytypen (3C-SiC) visade hög elektronrörlighet, värmeledningsförmåga, och mättnadsdrifthastighet, även om dess syntes krävde stränga villkor. Teamet visade 2-D och 3-D lasermönster av 3C-SiC med PDMS (polydimetylsiloxan) som en prekursor. De skapade ett tätt SiC-lager med laserablation under en kväverik atmosfär för att producera kompositer med förväntade geometrier. Tillsammans med ett inbäddat grafitnätverk, SiC visade pseudokapacitivt elektrokemiskt beteende och fotoelektrokemisk aktivitet. Forskarna funktionaliserade SiC med mangandioxid (MnO ₂ eller MnO _x ) för att förbättra dess fotoelektrokemiska aktivitet. Genom att använda dessa SiC-baserade enheter, de styrde aktiviteten i isolerade hjärtan och i odlade celler. Arbetet visade hur laserskrivning effektivt kunde producera flexibla och multifunktionella halvledare/elastomer-interaktioner för biogränssnittsstudier.

Syntes och strukturell karakterisering av kiselkarbid

Under experimenten, Nair et al. förberedde en ren PDMS-polymerplatta och placerade den på en kommersiell laserskärplattform för att ablatera polymeren till ett mönster av intresse. Processen omvandlade materialet till ett gult fast ämne med en tunn, mörkt lager anslutning till PDMS-matrisen. Teamet analyserade strukturen med hjälp av mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) och vald-area elektrondiffraktion (SAED). Resultaten avslöjade ett gränssnitt mellan ett tätt packat fast skikt med välfacetterade kristaller och ett svampigt skiktat gitternätverk som liknar grafit. Resultaten bekräftade enstegssyntesen av 3C-SiC ansluten till PDMS via ett svampigt grafitnätverk, där en direkt laserfläck kan ha främjat omvandlingen av PDMS till SiC under hög temperatur, medan lägre temperatur i den omgivande miljön ledde till grafitbildning. Den resulterande termiska gradientbaserade halvledar-ledarövergången är en nödvändig konfiguration för många elektrokemiska och fotoelektrokemiska anordningar.

2-D- och 3-D-utskrift och den pseudokapacitiva karaktären hos 3C-SiC-elektroder

Teamet kontrollerade bredden och djupet av de konverterade linjerna eller diken på ett substrat efter en enda laserskanning för kontrollerad utveckling av en halvledare/elastomerkomposit. Som proof of concept, de vektoriserade och skrev ut en 2D-målning på PDMS och upptäckte SiC i detaljerna med hjälp av Raman-mappning. För 3D-utskrift, de använde en lager-för-lager-teknik av SiC på den skurna PDMS och ett nytt lager av PDMS ovanpå den, för att uppnå mellanskikts-SiC-fusion. Med hjälp av de tryckta 3C-SiC/grafit/PDMS-kompositerna, Nair et al undersökte de elektrokemiska egenskaperna hos 3C-SiC. De åstadkom detta genom att förbereda en elektrod genom att elektriskt ansluta den grafitiska sidan av en repad SiC/grafitlapp till en koppartråd med silverpasta. Sedan förseglade de enheten och exponerade bara den tätt packade SiC för elektrolyten. Den registrerade dubbelskiktskapacitansen och reducerade laddningsöverföringsmotståndet kommer att kunna underlätta förbättrad koppling mellan kompositytan och celler och vävnader i biologiska moduleringsexperiment.

Forskarna skrev sedan ut och testade de SiC-baserade flexibla bioelektroniska enheterna för vävnadsstimulering. Efter att ha monterat ett livskraftigt sammandragande råtthjärta, de placerade en flexibel SiC-enhet mot vänster och höger kammare för att ge elektrisk stimulering till hjärtat. Vid stimulering, hjärtfrekvensen synkroniseras samtidigt med stimuleringsfrekvensen för att störa elektrokardiografisignalen (EKG), vilket indikerar en tydlig överstyrningsstimuleringseffekt. När de upphörde med elektrisk stimulering, hjärtat återvände till är långsam atrioventrikulär nodrytm. Experimentet visade hur SiC/grafit/PDMS-kompositen var fullt användbar för vävnads- och organmodulering. Nair et al. studerade dessutom de elektrokemiska aktiviteterna hos SiC-ytan efter optisk excitation och resultaten indikerade en fotoanodisk utmatning av de tryckta 3C-SiC-enheterna. De bekräftade observationerna via en kemisk reaktion för att oxidera vatten till väteperoxid och baserat på resultaten föreslog de ytterligare undersökningar för att förstå den exakta mekanismen för den observerade katalytiska processen. Eftersom väteperoxid och andra reaktiva syrearter vanligtvis spelar en viktig roll för att modulera glatta muskelceller, teamet studerade effekterna av H ₂ O ₂ använder 3C-SiC som reservoar för muskelstimulering. Baserat på resultaten föreslår de fjärrterapeutiska tillämpningar av enheten för att underlätta vasokonstriktion vid traumaoperationer eller sfinkterkontraktion efter kronisk ryggmärgsskada.

På det här sättet, Vishnu Nair och kollegor visade 2-D och 3-D laserskrivning av kvävedopad 3C-SiC på PDMS-substrat. Det resulterande lagret etablerade ett sömlöst hård-mjukt gränssnitt med PDMS. De flexibla enheterna fungerade som stimuleringselektroder för isolerade hjärtan och som fotoelektroder för lokaliserad väteperoxidproduktion. Forskarna strävar efter att sömlöst integrera halvledar-/elastomerkompositerna i organ-på-ett-chip- eller organoid-on-a-chip-forskning, eller i mikrofluidiksystem för fotoelektrokemisk aktivitet. Framtida studier kommer också att exakt undersöka den elektrokemiska mekanismen bakom H ₂ O ₂ produktion i enheten.

© 2020 Science X Network