Laserskrivning af nitrogen-doteret siliciumcarbid til biologisk modulering

I materialevidenskab, ledende og halvledende materialer kan indlejres i isolerende polymere substrater til nyttige biointerface-applikationer. Imidlertid, det er udfordrende at opnå den sammensatte konfiguration direkte ved hjælp af kemiske processer. Laserassisteret syntese er en hurtig og billig teknik, der bruges til at fremstille forskellige materialer, men deres anvendelser i konstruktionen af ​​biofysiske værktøjer og biomedicinske materialer mangler at blive udforsket. I en ny rapport, Vishnu Nair og et forskerhold i kemi, molekylær teknik, fysik og atomsondetomografi ved University of Chicago og Northwestern University, OS., brugt laserskrivning til at omdanne dele af polydimethylsiloxan (PDMS) til nitrogen-doteret kubisk siliciumcarbid (3C-SiC). De lettede elektrokemisk og fotoelektrokemisk aktivitet mellem de to overflader ved at forbinde det tætte 3C-SiC overfladelag til PDMS-matrixen ved hjælp af et svampet grafitlag. De udviklede todimensionale (2-D) siliciumcarbidmønstre i PDMS og fritstående 3D-konstruktioner. Nair et al. etableret funktionen af ​​laserproducerede kompositter ved at anvende fleksible elektroder til isoleret hjertepacing og fotoelektroder til lokal peroxidlevering til glatte muskelplader. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Laser-assisteret materialesyntese

Materialesyntese via laserassisterede processer er almindeligt anvendt på grund af deres lette påføring, lave omkostninger og unik kapacitet til at generere komplekse faser. Laserproducerede kompositter kan udvide designprincipperne til at udvikle materialer og enheder til biologisk sansning og aktivitet. For eksempel, videnskabsmænd havde tidligere brugt grafen/grafit-baserede ledende materialer ved hjælp af laserskrivning til elektrokemisk at fornemme metabolitter i sved. I nærværende arbejde, forskerholdet valgte en materialeplatform udover silicium til at udføre elektronisk, elektrokemisk, fotokemisk og fototermisk kontrol af biologiske komponenter i flere skalaer. Ulemper ved silicium (Si) omfatter nedbrydning under fysiologiske forhold og begrænsede elektrokemiske egenskaber. Bioelektronik og biomaterialer skal lette operationel fleksibilitet mere end strukturel præcision. Som resultat, der er en efterspørgsel inden for biointerfaceforskning for at inkorporere teknikker til laserskrivning eller dysebaseret udskrivning for at udvikle sparsommelige og brugervenlige materialer og enheder.

Nair et al. brugt siliciumcarbid (SiC) i dette arbejde på grund af dets betydning i halvlederindustrien. Den kubiske 3C polytype (3C-SiC) viste høj elektronmobilitet, varmeledningsevne, og mætningshastighed, selvom dets syntese krævede stringente betingelser. Holdet viste 2-D og 3-D lasermønster af 3C-SiC ved hjælp af PDMS (polydimethylsiloxan) som en forløber. De skabte et tæt SiC-lag ved hjælp af laserablation under en nitrogenrig atmosfære for at producere kompositter med forventede geometrier. Sammen med et integreret grafitnetværk, SiC viste pseudokapacitiv elektrokemisk adfærd og fotoelektrokemisk aktivitet. Forskerne funktionaliserede SiC med mangandioxid (MnO ₂ eller MnO _x ) for at forbedre dets fotoelektrokemiske aktivitet. Ved at bruge disse SiC-baserede enheder, de styrede aktiviteten i isolerede hjerter og i dyrkede celler. Arbejdet viste, hvordan laserskrivning effektivt kunne producere fleksible og multifunktionelle halvleder/elastomer-interaktioner til biointerfaceundersøgelser.

Syntese og strukturel karakterisering af siliciumcarbid

Under forsøgene, Nair et al. forberedte en ren PDMS polymerplade og placerede den på en kommerciel laserskærerplatform for at fjerne polymeren i et mønster af interesse. Processen omdannede materialet til et gult fast stof med en tynd, mørklagsforbindelse til PDMS-matrixen. Teamet analyserede strukturen ved hjælp af mørke-feltscanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) og select-area elektron diffraction (SAED). Resultaterne afslørede en grænseflade mellem et tætpakket fast lag med velfacetterede krystaller og et svampet lagdelt gitternetværk svarende til grafit. Resultaterne bekræftede et-trins syntesen af ​​3C-SiC forbundet til PDMS via et svampet grafitnetværk, hvor en direkte laserplet kan have fremmet omdannelsen af ​​PDMS til SiC under høj temperatur, mens lavere temperatur i det omgivende miljø førte til grafitdannelse. Den resulterende termiske gradientbaserede halvleder-lederforbindelse er en nødvendig konfiguration for mange elektrokemiske og fotoelektrokemiske enheder.

2-D og 3-D print og den pseudokapacitive karakter af 3C-SiC elektroder

Holdet kontrollerede bredden og dybden af ​​de konverterede linjer eller grøfter på et substrat efter en enkelt laserscanning for kontrolleret udvikling af en halvleder/elastomer-komposit. Som proof of concept, de vektoriserede og printede et 2-D maleri på PDMS og detekterede SiC i detaljerne ved hjælp af Raman-kortlægning. Til 3D-print, de brugte en lag-for-lag teknik af SiC på det udskårne PDMS og et frisk lag PDMS oven på det, for at opnå interlayer SiC-fusion. Ved at bruge de trykte 3C-SiC/grafit/PDMS-kompositter, Nair et al undersøgte de elektrokemiske egenskaber af 3C-SiC. De opnåede dette ved at forberede en elektrode ved elektrisk at forbinde den grafitiske side af et ridset SiC/grafitplaster til en kobbertråd ved hjælp af sølvpasta. Derefter forseglede de enheden og udsatte kun den tætpakkede SiC for elektrolytten. Den registrerede dobbeltlagskapacitans og reducerede ladningsoverførselsmodstand vil være i stand til at lette forbedret kobling mellem den sammensatte overflade og celler og væv i biologiske moduleringseksperimenter.

Forskerne printede og testede derefter de SiC-baserede fleksible bioelektroniske enheder til vævsstimulering. Efter at have monteret et levedygtigt sammentrækkende rottehjerte, de placerede en fleksibel SiC-enhed mod venstre og højre ventrikler for at levere elektrisk stimulation til hjertet. Ved stimulering, hjertefrekvensen synkroniseres samtidigt med stimulationsfrekvensen for at forstyrre elektrokardiografisignalet (EKG), hvilket indikerer en klar overdrive pacing-effekt. Da de ophørte med elektrisk stimulation, hjertet vendt tilbage til er langsom atrioventrikulær node rytme. Forsøget viste, hvordan SiC/grafit/PDMS-kompositten var fuldt anvendelig til vævs- og organmodulering. Nair et al. undersøgte desuden de elektrokemiske aktiviteter af SiC-overfladen efter optisk excitation, og resultaterne indikerede en fotoanodisk output af de trykte 3C-SiC-enheder. De bekræftede observationerne via en kemisk reaktion for at oxidere vand til hydrogenperoxid og baseret på resultaterne foreslog de yderligere undersøgelser for at forstå den nøjagtige mekanisme af den observerede katalytiske proces. Da hydrogenperoxid og andre reaktive oxygenarter typisk spiller en vigtig rolle for at modulere glatte muskelceller, holdet undersøgte virkningerne af H ₂ O ₂ ved at bruge 3C-SiC som et reservoir til muskelstimulering. Baseret på resultaterne foreslår de fjernterapeutiske anvendelser af enheden for at lette vasokonstriktion ved traumeoperationer eller lukkemuskelkontraktion efter kronisk rygmarvsskade.

På denne måde Vishnu Nair og kolleger demonstrerede 2-D og 3-D laserskrivning af nitrogen-doteret 3C-SiC på PDMS-substrater. Det resulterende lag etablerede en problemfri hårdblød grænseflade med PDMS. De fleksible enheder fungerede som stimuleringselektroder for isolerede hjerter og som fotoelektroder til lokaliseret hydrogenperoxidproduktion. Forskerne sigter efter sømløst at integrere halvleder/elastomer-kompositter i organ-på-en-chip- eller organoid-på-en-chip-forskning, eller i mikrofluidiksystemer til fotoelektrokemisk aktivitet. Fremtidige undersøgelser vil også præcist undersøge den elektrokemiske mekanisme, der ligger til grund for H ₂ O ₂ produktion i enheden.

© 2020 Science X Network