Questa mesostruttura di silicio 3-D misura circa 200 nanometri (la dimensione di un piccolo batterio) attraverso le sue dimensioni ristrette. È progettato per l'integrazione con i sistemi biologici. La mesoscala è intermedia tra la scala nanometrica e quella macroscopica. Credito:Gruppo Bozhi Tian
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio per una migliore integrazione dei dispositivi medici con i sistemi biologici. I ricercatori, guidato da Bozhi Tian, professore assistente di chimica all'Università di Chicago, hanno sviluppato le prime spicole di silicio simili a scheletro mai preparate tramite processi chimici.
"Utilizzando la formazione ossea come guida, il gruppo Tian ha sviluppato un materiale sintetico dal silicio che mostra il potenziale per migliorare l'interazione tra tessuti molli e materiali duri, " ha detto Joe Akkara, un direttore del programma nella divisione di ricerca sui materiali della National Science Foundation, che finanzia questa ricerca. "Questo è il potere della ricerca scientifica di base. Il gruppo Tian ha creato un materiale che sembra in via preliminare migliorare la funzione dei tessuti molli".
In un Scienza documento pubblicato il 26 giugno Tian e i suoi coautori dell'UChicago e della Northwestern University hanno descritto il loro nuovo metodo per la sintesi e la fabbricazione di semiconduttori tridimensionali mesoscopici (intermedi tra le scale nanometriche e macroscopiche).
"Questo apre una nuova opportunità per la costruzione di componenti elettronici per una migliore percezione e stimolazione alle bio-interfacce, " ha detto l'autore principale Zhiqiang Luo, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Tian.
Il team ha ottenuto tre progressi nello sviluppo di semiconduttori e materiali biologici. Un anticipo è stata la dimostrazione, con mezzi rigorosamente chimici, della litografia tridimensionale. Le tecniche litografiche esistenti creano caratteristiche su superfici piane. Il sistema di laboratorio imita il naturale processo di reazione-diffusione che porta a forme di rottura della simmetria in natura:la forma scanalata e dentellata di un pungiglione d'ape, Per esempio.
Il team di Tian ha sviluppato una sintesi di modulazione della pressione, promuovere la crescita di nanofili di silicio e indurre modelli a base di oro nel silicio. L'oro agisce come catalizzatore di crescita del silicio. Aumentando e diminuendo ripetutamente la pressione sui loro campioni, i ricercatori sono stati in grado di controllare la precipitazione e la diffusione dell'oro lungo le superfici sfaccettate del silicio.
Zhiqiang Luo (a destra), Ricercatore post-dottorato in chimica dell'Università di Chicago, e Yuanwen Jiang, Studente laureato a Chicago, discutere un sistema di imaging per visualizzare le interfacce tra silicio mesostrutturato e singole cellule. Sono co-autori principali di un articolo in Scienza descrivendo il loro lavoro, che esplora nuovi effetti nella progettazione di bioelettronica e impianti basati su semiconduttori ad alte prestazioni. Credito:per gentile concessione di Bozhi Tian
"L'idea di utilizzare cicli di deposizione-diffusione può essere applicata alla sintesi di semiconduttori 3D più complessi, ", ha affermato il co-autore Yuanwen Jiang, un Seymour Goodman Fellow in chimica alla UChicago.
Incisione in silicone 3D
L'industria dei semiconduttori utilizza l'incisione chimica a umido con un etch-resist per creare modelli planari su wafer di silicio. Porzioni del wafer mascherate con film sottile bloccano fisicamente l'attacco dall'effettuare l'attacco tranne che sulle aree superficiali aperte.
In un altro anticipo, Tian e i suoi collaboratori hanno sviluppato un nuovo metodo chimico che dipende invece dalla straordinaria capacità degli atomi d'oro di intrappolare gli elettroni che trasportano il silicio per prevenire selettivamente l'incisione.
Con loro grande sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che anche una copertura sparsa di atomi d'oro sulla matrice di silicio impedirebbe l'incisione nelle loro vicinanze. Questo metodo si applica anche alla litografia 3D di molti altri composti a semiconduttore.
"Questo è un meccanismo fondamentalmente nuovo per etch mask o etch resist, " Ha detto Tian. "L'intero processo è chimico."
Ulteriori test hanno rivelato il terzo avanzamento del progetto. I test hanno mostrato che le spicole di silicio sintetico hanno mostrato interazioni più forti con le fibre di collagene, un sostituto simile alla pelle per il tessuto biologico, rispetto alle strutture di silicio attualmente disponibili. Tian e i suoi associati hanno inserito le spicole sintetiche e le altre strutture di silicio nelle fibre di collagene, poi li ha tirati fuori. Un microscopio a forza atomica misurava la forza necessaria per compiere ogni azione.
"Uno dei principali ostacoli nel settore della bioelettronica o degli impianti è che l'interfaccia tra il dispositivo elettronico e il tessuto o l'organo non è robusta, " Ha detto Tian.
Le spicole promettono di superare questo ostacolo. Sono penetrati facilmente nel collagene, poi si è profondamente radicato, molto simile a un pungiglione d'ape nella pelle umana.
