Cette mésostructure en silicium 3-D mesure environ 200 nanomètres (la taille d'une petite bactérie) sur sa dimension étroite. Il est conçu pour être intégré aux systèmes biologiques. L'échelle méso est intermédiaire entre l'échelle nanométrique et l'échelle macroscopique. Crédit :Groupe Bozhi Tian
Les chercheurs ont développé une nouvelle approche pour mieux intégrer les dispositifs médicaux aux systèmes biologiques. Les chercheurs, dirigé par Bozhi Tian, professeur assistant en chimie à l'Université de Chicago, ont développé les premiers spicules de silicium de type squelette jamais préparés par des procédés chimiques.
« En utilisant la formation osseuse comme guide, le groupe Tian a développé un matériau synthétique à partir de silicium qui montre un potentiel d'amélioration de l'interaction entre les tissus mous et les matériaux durs, " a déclaré Joe Akkara, un directeur de programme dans la division de recherche sur les matériaux de la National Science Foundation, qui finance cette recherche. "C'est le pouvoir de la recherche scientifique fondamentale. Le groupe Tian a créé un matériau qui semble à priori améliorer la fonction des tissus mous."
Dans un Science article publié le 26 juin Tian et ses co-auteurs de UChicago et de la Northwestern University ont décrit leur nouvelle méthode de synthèse et de fabrication de semi-conducteurs tridimensionnels mésocopiques (intermédiaires entre les échelles nanométrique et macroscopique).
"Cela ouvre une nouvelle opportunité pour la construction d'électronique pour une détection et une stimulation améliorées aux bio-interfaces, " a déclaré l'auteur principal Zhiqiang Luo, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Tian.
L'équipe a réalisé trois avancées dans le développement de semi-conducteurs et de matériaux biologiques. Une avancée a été la démonstration, par des moyens strictement chimiques, de la lithographie en trois dimensions. Les techniques lithographiques existantes créent des caractéristiques sur des surfaces planes. Le système de laboratoire imite le processus naturel de réaction-diffusion qui conduit à des formes de rupture de symétrie dans la nature :la forme cannelée et crantée d'un dard d'abeille, par exemple.
L'équipe de Tian a développé une synthèse de modulation de pression, favoriser la croissance de nanofils de silicium et induire des motifs à base d'or dans le silicium. L'or agit comme catalyseur de croissance du silicium. En augmentant et en diminuant à plusieurs reprises la pression sur leurs échantillons, les chercheurs ont pu contrôler la précipitation et la diffusion de l'or le long des surfaces facettées du silicium.
Zhiqiang Luo (à droite), Chercheur postdoctoral en chimie de l'Université de Chicago, et Yuanwen Jiang, Étudiant diplômé UChicago, discuter d'un système d'imagerie pour visualiser les interfaces entre le silicium mésostructuré et les cellules individuelles. Ils sont co-auteurs principaux d'un article en Science décrivant leur travail, qui explore de nouveaux effets dans la conception de bioélectronique et d'implants à base de semi-conducteurs haute performance. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Bozhi Tian
"L'idée d'utiliser des cycles de dépôt-diffusion peut être appliquée à la synthèse de semi-conducteurs 3D plus complexes, " a déclaré le co-auteur principal Yuanwen Jiang, un Seymour Goodman Fellow en chimie à UChicago.
Gravure 3D du silicium
L'industrie des semi-conducteurs utilise une gravure chimique humide avec une résistance à la gravure pour créer des motifs planaires sur des plaquettes de silicium. Des portions de la plaquette masquées par un film mince empêchent physiquement la gravure de s'effectuer sauf sur les zones de surface ouvertes.
Dans une autre avance, Tian et ses associés ont développé une nouvelle méthode chimique qui dépend plutôt de l'étrange capacité des atomes d'or à piéger les électrons porteurs de silicium pour empêcher sélectivement la gravure.
A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que même une couverture clairsemée d'atomes d'or sur la matrice de silicium empêcherait la gravure de se produire à proximité. Cette méthode s'applique également à la lithographie 3D de nombreux autres composés semi-conducteurs.
"Il s'agit d'un mécanisme fondamentalement nouveau pour le masque de gravure ou la résistance à la gravure, " dit Tian. " Tout le processus est chimique. "
Des tests supplémentaires ont révélé la troisième avancée du projet. Les tests ont montré que les spicules de silicium synthétique présentaient des interactions plus fortes avec les fibres de collagène - un substitut semblable à la peau pour le tissu biologique - que les structures de silicium actuellement disponibles. Tian et ses associés ont inséré les spicules synthétiques et les autres structures de silicium dans les fibres de collagène, puis les a retirés. Un microscope à force atomique mesurait la force requise pour accomplir chaque action.
"L'un des obstacles majeurs dans le domaine de la bioélectronique ou des implants est que l'interface entre le dispositif électronique et le tissu ou l'organe n'est pas robuste, " dit Tian.
Les spicules sont prometteurs pour franchir cet obstacle. Ils pénétraient facilement dans le collagène, puis s'est profondément enraciné, un peu comme un dard d'abeille dans la peau humaine.
