Forskare har utvecklat en ny metod för att bättre integrera medicintekniska produkter med biologiska system. Forskarna, ledd av Bozhi Tian, biträdande professor i kemi vid University of Chicago, har utvecklat de första skelettliknande kiselspiklerna som någonsin framställts via kemiska processer.

"Att använda benbildning som vägledning, Tian-gruppen har utvecklat ett syntetiskt material från kisel som visar potential för att förbättra interaktionen mellan mjuk vävnad och hårda material, " sa Joe Akkara, en programdirektör i National Science Foundations materialforskningsavdelning, som finansierar denna forskning. "Detta är kraften i grundläggande vetenskaplig forskning. Tian-gruppen har skapat ett material som preliminärt verkar förbättra mjukvävnadsfunktionen."

I en Vetenskap tidning publicerad den 26 juni, Tian och hans medförfattare från UChicago och Northwestern University beskrev sin nya metod för syntes och tillverkning av mesoskopiska tredimensionella halvledare (mellan nanometer- och makroskopiska skalor).

"Detta öppnar upp en ny möjlighet för att bygga elektronik för förbättrad avkänning och stimulering vid biogränssnitt, " sa huvudförfattaren Zhiqiang Luo, en postdoktor i Tians laboratorium.

Teamet uppnådde tre framsteg i utvecklingen av halvledarmaterial och biologiska material. Ett framsteg var demonstrationen, med strikt kemiska medel, av tredimensionell litografi. Befintliga litografiska tekniker skapar egenskaper över plana ytor. Laboratoriesystemet efterliknar den naturliga reaktions-diffusionsprocessen som leder till symmetribrytande former i naturen:den räfflade och skårade formen av en bisticka, till exempel.

Tians team utvecklade en tryckmoduleringssyntes, att främja tillväxten av kisel nanotrådar och att inducera guldbaserade mönster i kislet. Guld fungerar som kisel tillväxtkatalysator. Genom att upprepade gånger öka och minska trycket på sina prover, forskarna kunde kontrollera guldets utfällning och diffusion längs kislets facetterade ytor.

"Idén att använda avsättnings-diffusionscykler kan användas för att syntetisera mer komplexa 3D-halvledare, " sa medförfattaren Yuanwen Jiang, en Seymour Goodman Fellow i kemi vid UChicago.

3D silikonetsning

Halvledarindustrin använder våtkemisk etsning med etsningsresist för att skapa plana mönster på kiselwafers. Delar av wafern maskerade med tunn film blockerar fysiskt etsningen från att utföras förutom på de öppna ytområdena.

I ett annat förskott, Tian och hans medarbetare utvecklade en ny kemisk metod som istället beror på guldatomernas kusliga förmåga att fånga kiselbärande elektroner för att selektivt förhindra etsningen.

Till deras stora förvåning, forskarna fann att även ett sparsamt täcke av guldatomer över kiselmatrisen skulle förhindra etsning från att ske i deras närhet. Denna metod gäller även för 3D-litografi av många andra halvledarföreningar.

"Detta är en fundamentalt ny mekanism för etsmask eller etsresist, " Sa Tian. "Hela processen är kemisk."

Ytterligare tester avslöjade projektets tredje framsteg. Testerna visade att de syntetiska kiselspiklarna visade starkare interaktioner med kollagenfibrer - en hudliknande reserv för biologisk vävnad - än vad som för närvarande fanns tillgängliga kiselstrukturer. Tian och hans medarbetare förde in de syntetiska spiklarna och de andra kiselstrukturerna i kollagenfibrerna, drog sedan ut dem. Ett Atomic Force Microscope mätte kraften som krävdes för att utföra varje åtgärd.

"Ett av de största hindren inom området för bioelektronik eller implantat är att gränssnittet mellan den elektroniska enheten och vävnaden eller organet inte är robust, sa Tian.

Spikulerna visar löfte för att röja detta hinder. De trängde lätt in i kollagenet, blev sedan djupt rotad, ungefär som en bisticka i mänsklig hud.