用於生物調製的氮摻雜碳化矽的雷射寫入

雷射寫入過程及其應用的示意圖。（A）CO2雷射在PDMS基板上書寫圖案，其中該圖案可以是（i）在表面上，（ii）溝槽或（iii）直通導致形成兩個不同的片。結構（i）至（iii）隨雷射功率和寫入速度而變化。由於燒蝕過程的性質，在SiC下方形成石墨層。（B）雷射書寫電極是柔性電極，可以與心臟整合，並通過電脈衝刺激心臟以使其起搏。（C）雷射寫入電路可用於相互連接的細胞團的光電化學調製。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743

在材料科學中，可以將導電和半導電材料嵌入絕緣的聚合物基材中，以用於有用的生物界面應用。然而，直接使用化學方法來實現複合構型是具有挑戰性的。雷射輔助合成是一種用於製備各種材料的快速且廉價的技術，但它們在構建生物物理工具和生物醫學材料中的應用仍有待探索。在一份新報告中，Vishnu Nair和美國芝加哥大學和西北大學的化學，分子工程，物理學和原子探針層析成像研究團隊使用雷射寫入將部分聚二甲基矽氧烷（PDMS）轉化為摻雜氮的立方矽。碳化物（3C-SiC）。他們通過使用海綿狀石墨層將緻密的3C-SiC表面層連接到PDMS基質，從而促進了兩個表面之間的電化學和光電化學活性。他們在PDMS和獨立的3-D結構中開發了二維（2-D）碳化矽圖案。Nair等。通過應用柔性電極（用於獨立的心臟起搏）和光電電極（用於將過氧化物局部遞送至平滑肌片），確立了雷射複合材料的功能。該工作現在發表在「 科學進展」上。

雷射輔助材料合成

由於其易於應用，成本低和產生複雜相的獨特能力，通常使用通過雷射輔助工藝進行材料合成。雷射生產的複合材料可以擴展設計原理，以開發用於生物傳感和活性的材料和設備。例如，科學家以前曾使用石墨烯/石墨基導電材料，通過雷射書寫來電化學感應汗液中的代謝產物。在目前的工作中，研究團隊選擇了除矽以外的材料平臺，以執行電子，電化學，光化學和光熱控制多尺度生物成分。矽（Si）的缺點包括在生理條件下降解和有限的電化學性能。生物電子和生物材料必須比結構精度更能促進操作靈活性。結果，在生物界面研究中需要結合雷射書寫或基於噴嘴的印刷技術來開發節儉且用戶友好的材料和裝置。

SEM-EDS揭示了3C-SiC-MnOx的化學成分。廣告。晶體的放大圖，顯示了通過化學沉積形成的MnOx（x〜2）塗層。嗯 （d）中所示的晶體上各種元素的EDS圖。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743

碳化矽

Nair等。由於其在半導體行業中的重要性，因此在該工作中使用了碳化矽（SiC）。立方3C多型（3C-SiC）表現出高電子遷移率，熱導率和飽和漂移速度，儘管其合成需要嚴格的條件。該團隊展示了以PDMS（聚二甲基矽氧烷）為前體的3C-SiC的2-D和3-D雷射圖案。他們在富氮氣氛下通過雷射燒蝕形成了緻密的SiC層，以生產具有預期幾何形狀的複合材料。與嵌入式石墨網絡一起，SiC表現出偽電容電化學行為和光電化學活性。科學家用二氧化錳（MnO 2或MnO x）以提高其光電化學活性。使用這些基於SiC的設備，他們將活動定向在離體心臟和培養的細胞中。這項工作表明了雷射書寫如何能夠有效地產生用於生物界面研究的靈活的多功能半導體/彈性體相互作用。

SiC仿生模擬刺激人的主動脈平滑肌細胞（A）3C-SiC中的n摻雜以及隨後的能帶彎曲表明光刺激後可能發生純氧化反應。（B）375nm的10ms發光二極體（LED）脈衝期間的光電流測量設置示意圖（頂部）和3C-SiC光響應的代表性跡線，揭示了光陽極氧化反應。（C）在3C-SiC和3C-SiC-MnO 2上的螢光動力學測量證實水被氧化為H 2 O 2，並且顯示出每平方釐米的光照射材料通過水的氧化產生的H 2 O 2的相對濃度。（D）平滑肌細胞中外源H2O2信號通路的示意圖。外源過氧化物導致肌醇三磷酸受體（IP3R）的活化增加，誘導鈣從內質網（ER）/肌漿網（SR）的內部存儲中釋放，並吸收外源鈣。（E）取決於收縮周期的刺激時機的不同鈣反應的代表性跡線。（F）用顯微鏡Z堆棧在平滑肌細胞集合體上實現設備級實現的示意圖。比例尺，僅沿Z軸100μm。（G）3D熱圖顯示了從細胞系中的刺激點傳播的鈣波。比例尺，50μm。CB，導帶；VB，價帶；GPCR，G蛋白偶聯受體；RTK，受體酪氨酸激酶。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （E）取決於收縮周期的刺激時機的不同鈣反應的代表性跡線。（F）用顯微鏡Z堆棧在平滑肌細胞集合體上實現設備級實現的示意圖。比例尺，僅沿Z軸100μm。（G）3D熱圖顯示了從細胞系中的刺激點傳播的鈣波。比例尺，50μm。CB，導帶；VB，價帶；GPCR，G蛋白偶聯受體；RTK，受體酪氨酸激酶。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （E）取決於收縮周期的刺激時機的不同鈣反應的代表性跡線。（F）用顯微鏡Z堆棧在平滑肌細胞集合體上實現設備級實現的示意圖。比例尺，僅沿Z軸100μm。（G）3D熱圖顯示了從細胞系中的刺激點傳播的鈣波。比例尺，50μm。CB，導帶；VB，價帶；GPCR，G蛋白偶聯受體；RTK，受體酪氨酸激酶。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （G）3D熱圖顯示了從細胞系中的刺激點傳播的鈣波。比例尺，50μm。CB，導帶；VB，價帶；GPCR，G蛋白偶聯受體；RTK，受體酪氨酸激酶。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （G）3D熱圖顯示了從細胞系中的刺激點傳播的鈣波。比例尺，50μm。CB，導帶；VB，價帶；GPCR，G蛋白偶聯受體；RTK，受體酪氨酸激酶。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743

碳化矽的合成與結構表徵

在實驗期間，Nair等。製備了純PDMS聚合物平板，並將其放在商用雷射切割機平臺上，以將聚合物燒蝕成目標圖案。該過程將材料轉換為黃色固體，並與PDMS基質形成薄而深色的連接層。該團隊使用暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM），透射電子顯微鏡（TEM）和選定區域電子衍射分析了結構（SAED）。結果表明，密集堆積的固體層具有良好的切面晶體和類似於石墨的海綿狀分層晶格網絡之間的界面。結果證實了通過海綿狀石墨網絡與PDMS連接的3C-SiC的一步合成，其中直接雷射點可能促進了高溫下PDMS向SiC的轉化，而周圍環境中的較低溫度導致了石墨的形成。由此產生的基於熱梯度的半導體-導體結是許多電化學和光電化學裝置的必需配置。

2-D和3-D列印以及3C-SiC電極的偽電容特性

該團隊在一次雷射掃描後控制了基板上轉換後的線條或溝槽的寬度和深度，以控制半導體/彈性體複合材料的顯影。作為概念驗證，他們將矢量繪畫矢量化並列印在PDMS上，並使用拉曼映射在細節中檢測到SiC。。對於3-D列印，他們在切割後的PDMS上使用SiC的逐層技術，並在其頂部使用PDMS的新鮮層，以實現層間SiC融合。Nair等人使用印刷的3C-SiC /石墨/ PDMS複合材料，探索了3C-SiC的電化學性能。他們通過使用銀漿通過將刮擦的SiC /石墨貼片的石墨面電連接到銅線上來製備電極來實現此目的。然後他們密封了裝置，僅使密堆積的SiC暴露於電解質中。記錄的雙層電容和降低的電荷轉移電阻將能夠促進生物調製實驗中複合材料表面與細胞和組織之間的耦合改善。

使用電子顯微鏡對雷射印刷的SiC進行結構分析，表明其下方形成了石墨層。（A）HAADF-STEM圖像顯示了與SiC集成在一起的多孔石墨表面。高倍率圖像顯示藍色和綠色標記區域中的分層石墨結構。（B）3C-SiC的切片切片，其衍射圖樣（C）取於[011]分度區。（D）顯示立方SiC晶格的HAADF-STEM圖像。（E）X射線衍射顯示SiC的3C多型，具有堆疊缺陷和下方的石墨層。（F）3C-SiC樣品的原子探針重建，顯示出氮摻雜。元素映射：紅色，C；藍色，Si；和綠色（N）。來自APT的質譜表明，氮存在於SiC晶格中，並與碳和矽原子鍵合。比例尺，（A）0.1μm（左），10 nm（中），10 nm（右）；（B）100 nm；（D）1納米; （F）20納米。AU，任意單位。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743

開發用於心臟起搏和用作光電極的柔性電化學電極

然後，科學家列印並測試了用於組織刺激的基於SiC的柔性生物電子設備。在安裝了可行的收縮大鼠心臟後，他們將柔性SiC裝置靠在左右心室上，以向心臟傳遞電刺激。受到刺激後，心率同時與刺激率同步，以破壞心電圖（ECG）信號，表明明顯的過速起搏作用。當他們停止電刺激時，心臟恢復緩慢的房室結節律。實驗表明，SiC /石墨/ PDMS複合材料如何完全適用於組織和器官的調製。Nair等。此外，還研究了光激發後SiC表面的電化學活性，結果表明印刷的3C-SiC器件具有光陽極輸出。他們通過化學反應將水氧化為過氧化氫證實了這一發現，並根據結果提出了進一步的研究，以了解所觀察到的催化過程的確切機理。由於過氧化氫和其他活性氧通常在調節平滑肌細胞中起重要作用，因此研究小組研究了H 2 O 2的作用。使用3C-SiC作為刺激肌肉的容器。基於結果，他們建議該裝置在慢性脊髓損傷後在創傷外科手術中促進血管收縮或括約肌收縮的遠程治療應用。

雷射印刷的SiC可以形成2D和3D結構。（A）通過光學顯微鏡確定的雷射列印解析度與雷射功率和掃描速度的關係，以等高線圖表示。（B）通過光學顯微鏡確定的雷射列印深度作為雷射功率和掃描速度的函數，以等高線圖表示。（C）被矢量化並列印在PDMS上的繪畫。比例尺，1釐米。（D）在顯示SiC的印刷圖案上的氮缺陷發光的拉曼映射。比例尺，2毫米。（E）3C-SiC的氮缺陷發光拉曼光譜。（F）用於3D列印的多層矢量設計。（G）逐層列印方法以獲得穩定的3D集成結構。圖片來源：芝加哥大學Jaeseok Yi。（i）後續層的焊接，（ii）PDMS Piranha蝕刻，（iii）獨立的SiC-石墨結構。

以這種方式，Vishnu Nair及其同事演示了在PDMS基板上對摻氮3C-SiC進行2-D和3-D雷射寫入。生成的層與PDMS建立了無縫的軟硬體接口。柔性裝置充當離體心臟的刺激電極，並充當局部過氧化氫產生的光電極。科學家的目標是將半導體/彈性體複合材料無縫集成到晶片上的器官或晶片上的有機體的研究中，或無縫集成到光化學活性的微流體系統中。未來的研究還將精確地研究裝置中H 2 O 2產生的電化學機理。