Illustrazioni schematiche del processo di scrittura laser e delle sue applicazioni. (A) laser CO2 che scrive un motivo su un substrato PDMS in cui il motivo può essere (i) sulla superficie, (ii) una trincea, o (iii) un taglio che porta alla formazione di due pezzi distinti. Le architetture da (i) a (iii) nascono in funzione della potenza del laser e della velocità di scrittura. Uno strato di grafite si forma sotto il SiC a causa della natura del processo di ablazione. (B) Gli elettrodi scritti al laser sono elettrodi flessibili che possono integrarsi con un cuore e stimolarlo con impulsi elettrici che portano alla sua stimolazione. (C) I circuiti scritti al laser possono essere utilizzati per la modulazione fotoelettrochimica di insiemi cellulari interconnessi. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
Nella scienza dei materiali, materiali conduttori e semiconduttori possono essere incorporati in substrati polimerici isolanti per utili applicazioni di biointerfaccia. Però, è difficile ottenere la configurazione composita direttamente utilizzando processi chimici. La sintesi laser assistita è una tecnica veloce ed economica utilizzata per preparare vari materiali, ma le loro applicazioni nella costruzione di strumenti biofisici e materiali biomedici restano da esplorare. In un nuovo rapporto, Vishnu Nair e un gruppo di ricerca in chimica, ingegneria molecolare, fisica e tomografia a sonda atomica presso l'Università di Chicago e la Northwestern University, NOI., ha utilizzato la scrittura laser per convertire porzioni di polidimetilsilossano (PDMS) in carburo di silicio cubico drogato con azoto (3C-SiC). Hanno facilitato l'attività elettrochimica e fotoelettrochimica tra le due superfici collegando il denso strato superficiale 3C-SiC alla matrice PDMS utilizzando uno strato spugnoso di grafite. Hanno sviluppato modelli di carburo di silicio bidimensionali (2D) in PDMS e costrutti 3D indipendenti. Nair et al. ha stabilito la funzione dei compositi prodotti al laser applicando elettrodi flessibili per la stimolazione cardiaca isolata e fotoelettrodi per la somministrazione locale di perossido ai fogli muscolari lisci. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .
Sintesi dei materiali assistita da laser
La sintesi dei materiali tramite processi assistiti dal laser sono comunemente usati per la loro facilità di applicazione, basso costo e capacità unica di generare fasi complesse. I compositi prodotti con il laser possono espandere i principi di progettazione per sviluppare materiali e dispositivi per il rilevamento e l'attività biologica. Per esempio, gli scienziati avevano precedentemente utilizzato materiali conduttori a base di grafene/grafite utilizzando la scrittura laser per rilevare elettrochimicamente i metaboliti nel sudore. Nel presente lavoro, il team di ricerca ha selezionato una piattaforma materiale oltre al silicio per eseguire operazioni elettroniche, elettrochimico, controllo fotochimico e fototermico di componenti biologici multiscala. Gli svantaggi del silicio (Si) includono la degradazione in condizioni fisiologiche e proprietà elettrochimiche limitate. La bioelettronica e i biomateriali devono facilitare la flessibilità operativa più che la precisione strutturale. Di conseguenza, c'è una richiesta nella ricerca sulle biointerfacce per incorporare tecniche di scrittura laser o stampa basata su ugelli per sviluppare materiali e dispositivi frugali e di facile utilizzo.
SEM-EDS rivela la composizione chimica di 3C-SiC-MnOx. anno Domini. Vista ingrandita dei cristalli che mostrano un rivestimento di MnOx (x~2), creato con deposizione chimica. E-h. Mappa EDS di vari elementi sui cristalli mostrati in (d). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz2743 
Nair et al. utilizzato carburo di silicio (SiC) in questo lavoro a causa della sua importanza nell'industria dei semiconduttori. Il politipo cubico 3C (3C-SiC) ha mostrato un'elevata mobilità degli elettroni, conduttività termica, e velocità di deriva di saturazione, sebbene la sua sintesi richiedesse condizioni rigorose. Il team ha mostrato modelli laser 2D e 3D di 3C-SiC utilizzando PDMS (polidimetilsilossano) come precursore. Hanno creato uno strato di SiC denso utilizzando l'ablazione laser in un'atmosfera ricca di azoto per produrre compositi con le geometrie previste. Insieme a una rete di grafite incorporata, il SiC ha mostrato un comportamento elettrochimico pseudocapacitivo e un'attività fotoelettrochimica. Gli scienziati hanno funzionalizzato il SiC con biossido di manganese (MnO 2 o MnO X ) per migliorarne l'attività fotoelettrochimica. Utilizzando questi dispositivi basati su SiC, hanno diretto l'attività nei cuori isolati e nelle cellule coltivate. Il lavoro ha mostrato come la scrittura laser potrebbe produrre in modo efficiente interazioni semiconduttore/elastomero flessibili e multifunzionali per gli studi sulla biointerfaccia.
Stimolazione di cellule muscolari lisce aortiche umane primarie con biomimetica SiC (A) Il drogaggio n in 3C-SiC e il successivo piegamento della banda suggeriscono la possibilità di reazioni di ossidazione pura dopo la fotostimolazione. (B) Schema di una configurazione di misurazione della fotocorrente (in alto) e una traccia rappresentativa di una fotorisposta 3C-SiC durante un impulso di diodo a emissione di luce (LED) di 10 ms di 375 nm che rivela una reazione di ossidazione fotoanodica. (C) Le misurazioni della cinetica di fluorescenza su 3C-SiC e 3C-SiC-MnO2 confermano l'ossidazione dell'acqua in H2O2 e mostrano la concentrazione relativa di H2O2 prodotta dall'ossidazione dell'acqua per centimetro quadrato di materiale irradiato con la luce. (D) Illustrazione schematica di una via di segnalazione H2O2 esogena nelle cellule muscolari lisce. I perossidi esogeni causano una maggiore attivazione del recettore dell'inositolo trifosfato (IP3R), inducendo il rilascio di calcio da depositi interni come il reticolo endoplasmatico (ER)/reticolo sarcoplasmatico (SR) e l'assorbimento di calcio esogeno. (E) Tracce rappresentative delle diverse risposte del calcio a seconda dei tempi di stimolazione rispetto a un ciclo di contrazione. (F) Schema di un'implementazione a livello di dispositivo su un insieme di cellule muscolari lisce con uno stack Z di microscopia. Barra della scala, 100 μm solo lungo l'asse Z. (G) Mappe di calore 3D che mostrano un'onda di calcio che si propaga dal punto di stimolazione nell'insieme cellulare. Barra della scala, 50 micron. CB, banda di conduzione; VB, banda di valenza; GPCR, recettore accoppiato a proteine G; RTK, recettore tirosin chinasi. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
Sintesi e caratterizzazione strutturale del carburo di silicio
Durante gli esperimenti, Nair et al. ha preparato una lastra di polimero puro PDMS e l'ha posizionata su una piattaforma di taglio laser commerciale per ablare il polimero in un modello di interesse. Il processo ha convertito il materiale in un solido giallo con un sottile, connessione dello strato oscuro alla matrice PDMS. Il team ha analizzato la struttura utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione in campo oscuro (HAADF-STEM), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e diffrazione elettronica ad area selezionata (SAED). I risultati hanno rivelato un'interfaccia tra uno strato solido densamente compresso con cristalli ben sfaccettati e una rete reticolare stratificata spugnosa simile alla grafite. I risultati hanno confermato la sintesi in un unico passaggio di 3C-SiC connesso a PDMS tramite una rete di grafite spugnosa, dove un punto laser diretto potrebbe aver promosso la conversione di PDMS in SiC ad alta temperatura, mentre la temperatura più bassa nell'ambiente circostante ha portato alla formazione di grafite. La giunzione semiconduttore-conduttore basata sul gradiente termico risultante è una configurazione richiesta per molti dispositivi elettrochimici e fotoelettrochimici.
La stampa 2-D e 3-D e la natura pseudocapacitiva degli elettrodi 3C-SiC
Il team ha controllato la larghezza e la profondità delle linee o trincee convertite su un substrato dopo una singola scansione laser per lo sviluppo controllato di un composito semiconduttore/elastomero. Come prova del concetto, hanno vettorializzato e stampato un dipinto 2-D su PDMS e hanno rilevato SiC nei dettagli utilizzando la mappatura Raman. Per la stampa 3D, hanno usato una tecnica strato per strato di SiC sul PDMS tagliato e un nuovo strato di PDMS su di esso, per ottenere la fusione di SiC tra gli strati. Utilizzando i compositi 3C-SiC/grafite/PDMS stampati, Nair et al hanno esplorato le proprietà elettrochimiche del 3C-SiC. Hanno realizzato questo preparando un elettrodo collegando elettricamente il lato grafitico di un cerotto SiC/grafite graffiato a un filo di rame usando pasta d'argento. Quindi hanno sigillato il dispositivo e hanno esposto solo il SiC densamente confezionato all'elettrolita. La capacità del doppio strato registrata e la ridotta resistenza al trasferimento di carica saranno in grado di facilitare un migliore accoppiamento tra la superficie composita e cellule e tessuti negli esperimenti di modulazione biologica.
L'analisi strutturale del SiC stampato al laser mediante microscopia elettronica mostra la formazione di uno strato di grafite sottostante. (A) Immagine HAADF-STEM che rivela una superficie grafitica porosa integrata con SiC. Le immagini ad alto ingrandimento rivelano strutture di grafite a strati nelle regioni contrassegnate in blu e verde. (B) Sezione Microtomed di 3C-SiC con il suo modello di diffrazione (C) preso sulla zona di indicizzazione [011]. (D) Immagine HAADF-STEM che mostra il reticolo cubico di SiC. (E) Diffrazione dei raggi X che rivela un politipo 3C di SiC con difetti di impilamento e strato di grafite sottostante. (F) Una ricostruzione della sonda atomica di un campione 3C-SiC che rivela il drogaggio di azoto. Mappatura elementare:rosso, C; blu, Sì; e verde, N. (G). Spettro di massa dell'APT che indica l'azoto presente nel reticolo di SiC e il suo legame con atomi di carbonio e silicio. Barre della scala, (A) 0,1 micron (sinistra), 10 nm (medio), 10 nm (destra); (B) 100nm; (D) 1 nm; (F) 20nm. A.U., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz2743 
Gli scienziati hanno quindi stampato e testato i dispositivi bioelettronici flessibili basati su SiC per la stimolazione dei tessuti. Dopo aver montato un cuore di ratto che si contrae vitale, hanno posizionato un dispositivo SiC flessibile contro i ventricoli sinistro e destro per fornire stimolazione elettrica al cuore. Dopo la stimolazione, la frequenza cardiaca si sincronizzava contemporaneamente alla frequenza di stimolazione per interrompere il segnale dell'elettrocardiografia (ECG) indicando un chiaro effetto di stimolazione overdrive. Quando cessarono la stimolazione elettrica, il cuore è tornato al ritmo del nodo atrioventricolare lento. L'esperimento ha mostrato come il composito SiC/grafite/PDMS fosse pienamente applicabile alla modulazione di tessuti e organi. Nair et al. ha inoltre studiato le attività elettrochimiche della superficie di SiC dopo l'eccitazione ottica ei risultati hanno indicato un'uscita fotoanodica dei dispositivi 3C-SiC stampati. Hanno confermato le osservazioni tramite una reazione chimica per ossidare l'acqua in perossido di idrogeno e sulla base dei risultati hanno proposto ulteriori indagini per comprendere l'esatto meccanismo del processo catalitico osservato. Poiché il perossido di idrogeno e altre specie reattive dell'ossigeno svolgono tipicamente un ruolo importante nella modulazione delle cellule muscolari lisce, il team ha studiato gli effetti di H 2 oh 2 utilizzando 3C-SiC come serbatoio per la stimolazione muscolare. Sulla base dei risultati, suggeriscono applicazioni terapeutiche remote del dispositivo per facilitare la vasocostrizione negli interventi chirurgici traumi o la contrazione dello sfintere dopo una lesione cronica del midollo spinale.
Il SiC stampato al laser può formare strutture 2D e 3D. (A) Risoluzione di stampa laser determinata mediante microscopia ottica in funzione della potenza del laser e della velocità di scansione, rappresentato come un diagramma di contorno. (B) Profondità di stampa laser determinata mediante microscopia ottica in funzione della potenza del laser e della velocità di scansione, rappresentato come un diagramma di contorno. (C) Un dipinto che è stato vettorializzato e stampato su PDMS. Barra della scala, 1 cm. (D) Mappatura Raman della luminescenza del difetto di azoto su un motivo stampato che rivela SiC. Barra della scala, 2mm. (E) Spettro Raman di luminescenza del difetto di azoto di 3C-SiC. (F) Disegno vettoriale multistrato per la stampa 3D. (G) Metodo di stampa strato per strato per ottenere una struttura integrata 3D stabile. Credito fotografico:Jaeseok Yi, l'Università di Chicago. (i) Saldatura degli strati successivi, (ii) incisione PDMS Piranha, e (iii) struttura indipendente di SiC-grafite. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
In questo modo, Vishnu Nair e colleghi hanno dimostrato la scrittura laser 2-D e 3-D di 3C-SiC drogato con azoto su substrati PDMS. Il livello risultante ha stabilito un'interfaccia hard-soft senza soluzione di continuità con PDMS. I dispositivi flessibili hanno agito come elettrodi di stimolazione per cuori isolati e come fotoelettrodi per la produzione localizzata di perossido di idrogeno. Gli scienziati mirano a integrare perfettamente i compositi semiconduttore/elastomero nella ricerca organo su chip o organoide su chip, o in sistemi microfluidici per attività fotoelettrochimica. Studi futuri indagheranno anche con precisione il meccanismo elettrochimico alla base di H 2 oh 2 produzione nel dispositivo.
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