Illustrations schématiques du processus d'écriture laser et de ses applications. (A) laser CO2 écrivant un motif sur un substrat PDMS dans lequel le motif peut être (i) sur la surface, (ii) une tranchée, ou (iii) une découpe conduisant à la formation de deux pièces distinctes. Les architectures (i) à (iii) se présentent en fonction de la puissance laser et de la vitesse d'écriture. Une couche de graphite se forme sous le SiC en raison de la nature du processus d'ablation. (B) Les électrodes écrites au laser sont des électrodes flexibles qui peuvent s'intégrer à un cœur et le stimuler avec des impulsions électriques conduisant à sa stimulation. (C) Les circuits écrits au laser peuvent être utilisés pour la modulation photoélectrochimique d'ensembles cellulaires interconnectés. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
En science des matériaux, des matériaux conducteurs et semi-conducteurs peuvent être intégrés dans des substrats polymères isolants pour des applications de bio-interface utiles. Cependant, il est difficile d'obtenir la configuration composite directement en utilisant des procédés chimiques. La synthèse assistée par laser est une technique rapide et peu coûteuse utilisée pour préparer divers matériaux mais leurs applications dans la construction d'outils biophysiques et de matériaux biomédicaux restent à explorer. Dans un nouveau rapport, Vishnu Nair et une équipe de recherche en chimie, génie moléculaire, physique et tomographie par sonde atomique à l'Université de Chicago et à l'Université Northwestern, NOUS., utilisé l'écriture laser pour convertir des portions de polydiméthylsiloxane (PDMS) en carbure de silicium cubique dopé à l'azote (3C-SiC). Ils ont facilité l'activité électrochimique et photoélectrochimique entre les deux surfaces en connectant la couche superficielle dense de 3C-SiC à la matrice PDMS à l'aide d'une couche de graphite spongieux. Ils ont développé des modèles de carbure de silicium bidimensionnels (2D) dans PDMS et des constructions 3D autoportantes. Nair et al. ont établi la fonction des composites produits au laser en appliquant des électrodes flexibles pour la stimulation cardiaque isolée et des photoélectrodes pour l'administration locale de peroxyde aux feuilles musculaires lisses. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .
Synthèse de matériaux assistée par laser
La synthèse de matériaux via des procédés assistés par laser est couramment utilisée en raison de leur facilité d'application, faible coût et capacité unique de générer des phases complexes. Les composites produits au laser peuvent étendre les principes de conception pour développer des matériaux et des dispositifs pour la détection et l'activité biologiques. Par exemple, les scientifiques avaient auparavant utilisé des matériaux conducteurs à base de graphène/graphite en utilisant l'écriture laser pour détecter électrochimiquement les métabolites dans la sueur. Dans le travail present, l'équipe de recherche a sélectionné une plate-forme matérielle en plus du silicium pour effectuer de l'électronique, électrochimique, contrôle photochimique et photothermique de composants biologiques multi-échelles. Les inconvénients du silicium (Si) comprennent la dégradation dans des conditions physiologiques et des propriétés électrochimiques limitées. La bioélectronique et les biomatériaux doivent faciliter la flexibilité opérationnelle plus que la précision structurelle. Par conséquent, il existe une demande dans la recherche sur les biointerfaces pour incorporer des techniques d'écriture laser ou d'impression à base de buses pour développer des matériaux et des dispositifs frugaux et conviviaux.
SEM-EDS révèle la composition chimique du 3C-SiC-MnOx. un d. Vue agrandie de cristaux montrant un revêtement de MnOx (x~2), créé par dépôt autocatalytique. Euh. Carte EDS de divers éléments sur les cristaux montrée en (d). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz2743 
Nair et al. utilisé du carbure de silicium (SiC) dans ce travail en raison de son importance dans l'industrie des semi-conducteurs. Le polytype 3C cubique (3C-SiC) présentait une mobilité électronique élevée, conductivité thermique, et la vitesse de dérive de saturation, bien que sa synthèse ait exigé des conditions strictes. L'équipe a montré une structuration laser 2-D et 3-D du 3C-SiC en utilisant le PDMS (polydiméthylsiloxane) comme précurseur. Ils ont créé une couche de SiC dense en utilisant l'ablation laser sous une atmosphère riche en azote pour produire des composites avec les géométries attendues. Associé à un réseau graphite embarqué, le SiC a montré un comportement électrochimique pseudocapacitif et une activité photoélectrochimique. Les scientifiques ont fonctionnalisé le SiC avec du dioxyde de manganèse (MnO
Stimulation des cellules musculaires lisses aortiques humaines primaires avec le biomimétisme SiC (A) Le dopage n dans le 3C-SiC et la flexion de bande subséquente suggèrent la possibilité de réactions d'oxydation pures après photostimulation. (B) Schéma d'une configuration de mesure de photocourant (en haut) et une trace représentative d'une photoréponse 3C-SiC au cours d'une impulsion de diode électroluminescente (LED) de 10 ms de 375 nm révélant une réaction d'oxydation photoanodique. (C) Les mesures de cinétique de fluorescence sur 3C-SiC et 3C-SiC-MnO2 confirment l'oxydation de l'eau en H2O2 et montrent la concentration relative de H2O2 produite par l'oxydation de l'eau par centimètre carré de matériau irradié par la lumière. (D) Illustration schématique d'une voie de signalisation H2O2 exogène dans les cellules musculaires lisses. Les peroxydes exogènes provoquent une activation accrue du récepteur de l'inositol triphosphate (IP3R), induisant la libération de calcium des réserves internes telles que le réticulum endoplasmique (RE) / réticulum sarcoplasmique (SR) et l'absorption de calcium exogène. (E) Des traces représentatives des différentes réponses de calcium en fonction du moment de la stimulation par rapport à un cycle de contraction. (F) Schéma d'une mise en œuvre au niveau de l'appareil sur un ensemble de cellules musculaires lisses avec une pile Z de microscopie. Barre d'échelle, 100 m le long de l'axe Z uniquement. (G) Cartes thermiques 3D montrant une onde de calcium se propageant à partir du point de stimulation dans l'ensemble cellulaire. Barre d'échelle, 50 µm. CB, bande de conduction; VB, bande de valence; GPCR, récepteur couplé à la protéine G; RTK, récepteur tyrosine kinase. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
Synthèse et caractérisation structurale du carbure de silicium
Lors des expérimentations, Nair et al. préparé une plaque de polymère PDMS pur et l'a placée sur une plate-forme de découpe laser commerciale pour procéder à l'ablation du polymère en un motif d'intérêt. Le processus a converti le matériau en un solide jaune avec une fine couche connexion de la couche sombre à la matrice PDMS. L'équipe a analysé la structure en utilisant la microscopie électronique à transmission à champ sombre (HAADF-STEM), microscopie électronique à transmission (MET) et diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED). Les résultats ont révélé une interface entre une couche solide densément tassée avec des cristaux bien facettés et un réseau réticulaire en couches spongieux similaire au graphite. Les résultats ont confirmé la synthèse en une étape du 3C-SiC connecté au PDMS via un réseau de graphite spongieux, où un spot laser direct peut avoir favorisé la conversion du PDMS en SiC à haute température, tandis qu'une température plus basse dans l'environnement environnant a conduit à la formation de graphite. La jonction semi-conducteur-conducteur à gradient thermique qui en résulte est une configuration requise pour de nombreux dispositifs électrochimiques et photoélectrochimiques.
Impression 2D et 3D et nature pseudocapacitive des électrodes 3C-SiC
L'équipe a contrôlé la largeur et la profondeur des lignes ou des tranchées converties sur un substrat après un seul balayage laser pour le développement contrôlé d'un composite semi-conducteur/élastomère. Comme preuve de concept, ils ont vectorisé et imprimé une peinture 2D sur PDMS et détecté du SiC dans les détails à l'aide de la cartographie Raman. Pour l'impression 3D, ils ont utilisé une technique couche par couche de SiC sur le PDMS coupé et une nouvelle couche de PDMS par-dessus, pour réaliser la fusion intercouche SiC. En utilisant les composites imprimés 3C-SiC/graphite/PDMS, Nair et al ont exploré les propriétés électrochimiques du 3C-SiC. Ils y sont parvenus en préparant une électrode en connectant électriquement le côté graphitique d'un patch SiC/graphite rayé à un fil de cuivre à l'aide de pâte d'argent. Ensuite, ils ont scellé l'appareil et n'ont exposé que le SiC densément tassé à l'électrolyte. La capacité à double couche enregistrée et la résistance de transfert de charge réduite seront en mesure de faciliter un couplage amélioré entre la surface composite et les cellules et les tissus dans les expériences de modulation biologique.
L'analyse structurelle du SiC imprimé au laser en utilisant la microscopie électronique montre la formation d'une couche de graphite en dessous. (A) Image HAADF-STEM révélant une surface graphitique poreuse intégrée au SiC. Les images à plus fort grossissement révèlent des structures de graphite en couches dans les régions marquées en bleu et vert. (B) Coupe microtomée de 3C-SiC avec son diagramme de diffraction (C) prise sur la zone d'indexation [011]. (D) Image HAADF-STEM montrant un réseau SiC cubique. (E) Diffraction des rayons X révélant un polytype 3C de SiC avec des défauts d'empilement et une couche de graphite en dessous. (F) Une reconstruction par sonde atomique d'un échantillon de 3C-SiC révélant un dopage à l'azote. Mappage élémentaire :rouge, C; bleu, Si; et vert, N. (G). Spectre de masse de l'APT indiquant l'azote présent dans le réseau SiC et sa liaison avec les atomes de carbone et de silicium. Barres d'échelle, (A) 0,1 µm (à gauche), 10 nm (milieu), 10 nm (à droite); (B) 100 nm; (D) 1 nm; (F) 20 nm. A.U., unités arbitraires. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz2743 
Les scientifiques ont ensuite imprimé et testé les dispositifs bioélectroniques flexibles à base de SiC pour la stimulation des tissus. Après avoir monté un cœur de rat contractant viable, ils ont placé un dispositif SiC flexible contre les ventricules gauche et droit pour délivrer une stimulation électrique au cœur. Lors de la stimulation, la fréquence cardiaque synchronisée simultanément avec la fréquence de stimulation pour perturber le signal d'électrocardiographie (ECG) indiquant un effet de stimulation de surmultiplication clair. Quand ils ont cessé la stimulation électrique, le cœur est revenu à un rythme ganglionnaire auriculo-ventriculaire lent. L'expérience a montré comment le composite SiC/graphite/PDMS était pleinement applicable pour la modulation des tissus et des organes. Nair et al. en outre étudié les activités électrochimiques de la surface du SiC après excitation optique et les résultats ont indiqué une sortie photoanodique des dispositifs 3C-SiC imprimés. Ils ont confirmé les observations via une réaction chimique pour oxyder l'eau en peroxyde d'hydrogène et sur la base des résultats, ils ont proposé des investigations supplémentaires pour comprendre le mécanisme exact du processus catalytique observé. Étant donné que le peroxyde d'hydrogène et d'autres espèces réactives de l'oxygène jouent généralement un rôle important dans la modulation des cellules musculaires lisses, l'équipe a étudié les effets de H
Le SiC imprimé au laser peut former des structures 2D et 3D. (A) Résolution d'impression laser déterminée par microscopie optique en fonction de la puissance laser et de la vitesse de balayage, représenté sous forme de courbe de niveau. (B) Profondeur d'impression laser déterminée par microscopie optique en fonction de la puissance laser et de la vitesse de balayage, représenté sous forme de courbe de niveau. (C) Une peinture qui a été vectorisée et imprimée sur PDMS. Barre d'échelle, 1cm. (D) Cartographie Raman de la luminescence des défauts d'azote sur un motif imprimé révélant le SiC. Barre d'échelle, 2 millimètres. (E) Spectre Raman de luminescence de défaut d'azote de 3C-SiC. (F) Conception vectorielle multicouche pour l'impression 3D. (G) Méthode d'impression couche par couche pour obtenir une structure intégrée 3D stable. Crédit photo :Jaeseok Yi, l'Université de Chicago. (i) Soudage des couches suivantes, (ii) Gravure PDMS Piranha, et (iii) une structure SiC-graphite autoportante. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz2743
De cette façon, Vishnu Nair et ses collègues ont démontré l'écriture laser 2-D et 3-D de 3C-SiC dopé à l'azote sur des substrats PDMS. La couche résultante a établi une interface matérielle-logicielle transparente avec PDMS. Les dispositifs flexibles ont servi d'électrodes de stimulation pour les cœurs isolés et de photoélectrodes pour la production localisée de peroxyde d'hydrogène. Les scientifiques visent à intégrer de manière transparente les composites semi-conducteurs/élastomères dans la recherche sur les organes sur puce ou les organoïdes sur puce, ou dans des systèmes microfluidiques pour l'activité photoélectrochimique. De futures études examineront également avec précision le mécanisme électrochimique sous-jacent à H
© 2020 Réseau Science X
