激光写入过程及其应用的示意图。（A）CO2激光在PDMS基板上书写图案，其中该图案可以是（i）在表面上，（ii）沟槽或（iii）直通导致形成两个不同的片。结构（i）至（iii）随激光功率和写入速度而变化。由于烧蚀过程的性质，在SiC下方形成石墨层。（B）激光书写电极是柔性电极，可以与心脏整合，并通过电脉冲刺激心脏以使其起搏。（C）激光写入电路可用于相互连接的细胞团的光电化学调制。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743
在材料科学中，可以将导电和半导电材料嵌入绝缘的聚合物基材中，以用于有用的生物界面应用。然而，直接使用化学方法来实现复合构型是具有挑战性的。激光辅助合成是一种用于制备各种材料的快速且廉价的技术，但它们在构建生物物理工具和生物医学材料中的应用仍有待探索。在一份新报告中，Vishnu Nair和美国芝加哥大学和西北大学的化学，分子工程，物理学和原子探针层析成像研究团队使用激光写入将部分聚二甲基硅氧烷（PDMS）转化为掺杂氮的立方硅。碳化物（3C-SiC）。他们通过使用海绵状石墨层将致密的3C-SiC表面层连接到PDMS基质，从而促进了两个表面之间的电化学和光电化学活性。他们在PDMS和独立的3-D结构中开发了二维（2-D）碳化硅图案。Nair等。通过应用柔性电极（用于独立的心脏起搏）和光电电极（用于将过氧化物局部递送至平滑肌片），确立了激光复合材料的功能。该工作现在发表在“ 科学进展”上。
激光辅助材料合成
由于其易于应用，成本低和产生复杂相的独特能力，通常使用通过激光辅助工艺进行材料合成。激光生产的复合材料可以扩展设计原理，以开发用于生物传感和活性的材料和设备。例如，科学家以前曾使用石墨烯/石墨基导电材料，通过激光书写来电化学感应汗液中的代谢产物。在目前的工作中，研究团队选择了除硅以外的材料平台，以执行电子，电化学，光化学和光热控制多尺度生物成分。硅（Si）的缺点包括在生理条件下降解和有限的电化学性能。生物电子和生物材料必须比结构精度更能促进操作灵活性。结果，在生物界面研究中需要结合激光书写或基于喷嘴的印刷技术来开发节俭且用户友好的材料和装置。
SEM-EDS揭示了3C-SiC-MnOx的化学成分。广告。晶体的放大图，显示了通过化学沉积形成的MnOx（x〜2）涂层。嗯 （d）中所示的晶体上各种元素的EDS图。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743
碳化硅
Nair等。由于其在半导体行业中的重要性，因此在该工作中使用了碳化硅（SiC）。立方3C多型（3C-SiC）表现出高电子迁移率，热导率和饱和漂移速度，尽管其合成需要严格的条件。该团队展示了以PDMS（聚二甲基硅氧烷）为前体的3C-SiC的2-D和3-D激光图案。他们在富氮气氛下通过激光烧蚀形成了致密的SiC层，以生产具有预期几何形状的复合材料。与嵌入式石墨网络一起，SiC表现出伪电容电化学行为和光电化学活性。科学家用二氧化锰（MnO 2或MnO x）以提高其光电化学活性。使用这些基于SiC的设备，他们将活动定向在离体心脏和培养的细胞中。这项工作表明了激光书写如何能够有效地产生用于生物界面研究的灵活的多功能半导体/弹性体相互作用。
SiC仿生模拟刺激人的主动脉平滑肌细胞（A）3C-SiC中的n掺杂以及随后的能带弯曲表明光刺激后可能发生纯氧化反应。（B）375nm的10ms发光二极管（LED）脉冲期间的光电流测量设置示意图（顶部）和3C-SiC光响应的代表性迹线，揭示了光阳极氧化反应。（C）在3C-SiC和3C-SiC-MnO 2上的荧光动力学测量证实水被氧化为H 2 O 2，并且显示出每平方厘米的光照射材料通过水的氧化产生的H 2 O 2的相对浓度。（D）平滑肌细胞中外源H2O2信号通路的示意图。外源过氧化物导致肌醇三磷酸受体（IP3R）的活化增加，诱导钙从内质网（ER）/肌浆网（SR）的内部存储中释放，并吸收外源钙。（E）取决于收缩周期的刺激时机的不同钙反应的代表性迹线。（F）用显微镜Z堆栈在平滑肌细胞集合体上实现设备级实现的示意图。比例尺，仅沿Z轴100μm。（G）3D热图显示了从细胞系中的刺激点传播的钙波。比例尺，50μm。CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；RTK，受体酪氨酸激酶。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （E）取决于收缩周期的刺激时机的不同钙反应的代表性迹线。（F）用显微镜Z堆栈在平滑肌细胞集合体上实现设备级实现的示意图。比例尺，仅沿Z轴100μm。（G）3D热图显示了从细胞系中的刺激点传播的钙波。比例尺，50μm。CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；RTK，受体酪氨酸激酶。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （E）取决于收缩周期的刺激时机的不同钙反应的代表性迹线。（F）用显微镜Z堆栈在平滑肌细胞集合体上实现设备级实现的示意图。比例尺，仅沿Z轴100μm。（G）3D热图显示了从细胞系中的刺激点传播的钙波。比例尺，50μm。CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；RTK，受体酪氨酸激酶。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （G）3D热图显示了从细胞系中的刺激点传播的钙波。比例尺，50μm。CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；RTK，受体酪氨酸激酶。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743 （G）3D热图显示了从细胞系中的刺激点传播的钙波。比例尺，50μm。CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；RTK，受体酪氨酸激酶。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743
碳化硅的合成与结构表征
在实验期间，Nair等。制备了纯PDMS聚合物平板，并将其放在商用激光切割机平台上，以将聚合物烧蚀成目标图案。该过程将材料转换为黄色固体，并与PDMS基质形成薄而深色的连接层。该团队使用暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM），透射电子显微镜（TEM）和选定区域电子衍射分析了结构（SAED）。结果表明，密集堆积的固体层具有良好的切面晶体和类似于石墨的海绵状分层晶格网络之间的界面。结果证实了通过海绵状石墨网络与PDMS连接的3C-SiC的一步合成，其中直接激光点可能促进了高温下PDMS向SiC的转化，而周围环境中的较低温度导致了石墨的形成。由此产生的基于热梯度的半导体-导体结是许多电化学和光电化学装置的必需配置。
2-D和3-D打印以及3C-SiC电极的 伪 电容特性
该团队在一次激光扫描后控制了基板上转换后的线条或沟槽的宽度和深度，以控制半导体/弹性体复合材料的显影。作为概念验证，他们将矢量绘画矢量化并打印在PDMS上，并使用拉曼映射在细节中检测到SiC。。对于3-D打印，他们在切割后的PDMS上使用SiC的逐层技术，并在其顶部使用PDMS的新鲜层，以实现层间SiC融合。Nair等人使用印刷的3C-SiC /石墨/ PDMS复合材料，探索了3C-SiC的电化学性能。他们通过使用银浆通过将刮擦的SiC /石墨贴片的石墨面电连接到铜线上来制备电极来实现此目的。然后他们密封了装置，仅使密堆积的SiC暴露于电解质中。记录的双层电容和降低的电荷转移电阻将能够促进生物调制实验中复合材料表面与细胞和组织之间的耦合改善。
使用电子显微镜对激光印刷的SiC进行结构分析，表明其下方形成了石墨层。（A）HAADF-STEM图像显示了与SiC集成在一起的多孔石墨表面。高倍率图像显示蓝色和绿色标记区域中的分层石墨结构。（B）3C-SiC的切片切片，其衍射图样（C）取于[011]分度区。（D）显示立方SiC晶格的HAADF-STEM图像。（E）X射线衍射显示SiC的3C多型，具有堆叠缺陷和下方的石墨层。（F）3C-SiC样品的原子探针重建，显示出氮掺杂。元素映射：红色，C；蓝色，Si；和绿色（N）。来自APT的质谱表明，氮存在于SiC晶格中，并与碳和硅原子键合。比例尺，（A）0.1μm（左），10 nm（中），10 nm（右）；（B）100 nm；（D）1纳米; （F）20纳米。AU，任意单位。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaz2743
开发用于心脏起搏和用作光电极的柔性电化学电极
然后，科学家打印并测试了用于组织刺激的基于SiC的柔性生物电子设备。在安装了可行的收缩大鼠心脏后，他们将柔性SiC装置靠在左右心室上，以向心脏传递电刺激。受到刺激后，心率同时与刺激率同步，以破坏心电图（ECG）信号，表明明显的过速起搏作用。当他们停止电刺激时，心脏恢复缓慢的房室结节律。实验表明，SiC /石墨/ PDMS复合材料如何完全适用于组织和器官的调制。Nair等。此外，还研究了光激发后SiC表面的电化学活性，结果表明印刷的3C-SiC器件具有光阳极输出。他们通过化学反应将水氧化为过氧化氢证实了这一发现，并根据结果提出了进一步的研究，以了解所观察到的催化过程的确切机理。由于过氧化氢和其他活性氧通常在调节平滑肌细胞中起重要作用，因此研究小组研究了H 2 O 2的作用。使用3C-SiC作为刺激肌肉的容器。基于结果，他们建议该装置在慢性脊髓损伤后在创伤外科手术中促进血管收缩或括约肌收缩的远程治疗应用。
激光印刷的SiC可以形成2D和3D结构。（A）通过光学显微镜确定的激光打印分辨率与激光功率和扫描速度的关系，以等高线图表示。（B）通过光学显微镜确定的激光打印深度作为激光功率和扫描速度的函数，以等高线图表示。（C）被矢量化并打印在PDMS上的绘画。比例尺，1厘米。（D）在显示SiC的印刷图案上的氮缺陷发光的拉曼映射。比例尺，2毫米。（E）3C-SiC的氮缺陷发光拉曼光谱。（F）用于3D打印的多层矢量设计。（G）逐层打印方法以获得稳定的3D集成结构。图片来源：芝加哥大学Jaeseok Yi。（i）后续层的焊接，（ii）PDMS Piranha蚀刻，（iii）独立的SiC-石墨结构。
以这种方式，Vishnu Nair及其同事演示了在PDMS基板上对掺氮3C-SiC进行2-D和3-D激光写入。生成的层与PDMS建立了无缝的软硬件接口。柔性装置充当离体心脏的刺激电极，并充当局部过氧化氢产生的光电极。科学家的目标是将半导体/弹性体复合材料无缝集成到芯片上的器官或芯片上的有机体的研究中，或无缝集成到光化学活性的微流体系统中。未来的研究还将精确地研究装置中H 2 O 2产生的电化学机理。