En ciencia de materiales, Los materiales conductores y semiconductores se pueden incrustar en sustratos poliméricos aislantes para aplicaciones útiles de biointerfaces. Sin embargo, Es un desafío lograr la configuración del material compuesto directamente mediante procesos químicos. La síntesis asistida por láser es una técnica rápida y económica que se utiliza para preparar diversos materiales, pero sus aplicaciones en la construcción de herramientas biofísicas y materiales biomédicos quedan por explorar. En un nuevo informe, Vishnu Nair y un equipo de investigación en química, ingeniería molecular, física y tomografía con sonda atómica en la Universidad de Chicago y la Universidad Northwestern, NOSOTROS., utilizó escritura láser para convertir porciones de polidimetilsiloxano (PDMS) en carburo de silicio cúbico dopado con nitrógeno (3C-SiC). Facilitaron la actividad electroquímica y fotoelectroquímica entre las dos superficies al conectar la capa superficial densa de 3C-SiC a la matriz de PDMS utilizando una capa de grafito esponjoso. Desarrollaron patrones de carburo de silicio bidimensionales (2-D) en PDMS y construcciones independientes en 3D. Nair y col. estableció la función de los compuestos producidos con láser mediante la aplicación de electrodos flexibles para la estimulación cardíaca aislada y fotoelectrodos para la administración local de peróxido a las láminas del músculo liso. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Síntesis de materiales asistida por láser

La síntesis de materiales a través de procesos asistidos por láser se usa comúnmente debido a su facilidad de aplicación, bajo costo y capacidad única para generar fases complejas. Los compuestos producidos con láser pueden ampliar los principios de diseño para desarrollar materiales y dispositivos para la detección y la actividad biológicas. Por ejemplo, Los científicos habían utilizado previamente materiales conductores basados ​​en grafeno / grafito utilizando escritura láser para detectar metabolitos electroquímicamente en el sudor. En el presente trabajo, El equipo de investigación seleccionó una plataforma de material además del silicio para realizar aplicaciones electrónicas, electroquímico Control fotoquímico y fototérmico de componentes biológicos multiescala. Los inconvenientes del silicio (Si) incluyen la degradación en condiciones fisiológicas y propiedades electroquímicas limitadas. La bioelectrónica y los biomateriales deben facilitar la flexibilidad operativa más que la precisión estructural. Como resultado, Existe una demanda en la investigación de biointerfaces para incorporar técnicas de escritura láser o impresión basada en boquillas para desarrollar materiales y dispositivos frugales y fáciles de usar.

Nair y col. utilizó carburo de silicio (SiC) en este trabajo debido a su importancia en la industria de los semiconductores. El politipo cúbico 3C (3C-SiC) mostró una alta movilidad de electrones, conductividad térmica, y velocidad de deriva de saturación, aunque su síntesis requirió condiciones rigurosas. El equipo mostró patrones láser 2-D y 3-D de 3C-SiC usando PDMS (polidimetilsiloxano) como precursor. Crearon una capa densa de SiC mediante ablación con láser en una atmósfera rica en nitrógeno para producir compuestos con geometrías esperadas. Junto con una red de grafito incorporada, el SiC mostró comportamiento electroquímico pseudocapacitivo y actividad fotoelectroquímica. Los científicos funcionalizaron el SiC con dióxido de manganeso (MnO ₂ o MnO _X ) para mejorar su actividad fotoelectroquímica. Usando estos dispositivos basados ​​en SiC, dirigieron la actividad en corazones aislados y en células cultivadas. El trabajo mostró cómo la escritura láser podía producir de manera eficiente interacciones semiconductores / elastómeros flexibles y multifuncionales para estudios de biointerfaces.

Síntesis y caracterización estructural del carburo de silicio

Durante los experimentos, Nair y col. preparó una placa de polímero de PDMS puro y la colocó en una plataforma de corte láser comercial para eliminar el polímero en un patrón de interés. El proceso convirtió el material en un sólido amarillo con una capa delgada conexión de capa oscura a la matriz PDMS. El equipo analizó la estructura utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro (HAADF-STEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción electrónica de área seleccionada (SAED). Los resultados revelaron una interfaz entre una capa sólida densamente empaquetada con cristales bien facetados y una red de celosía en capas esponjosas similar al grafito. Los resultados confirmaron la síntesis en un solo paso de 3C-SiC conectado a PDMS a través de una red de grafito esponjoso, donde un punto de láser directo puede haber promovido la conversión de PDMS a SiC a alta temperatura, mientras que la temperatura más baja en el ambiente circundante condujo a la formación de grafito. La unión semiconductor-conductor basada en gradiente térmico resultante es una configuración necesaria para muchos dispositivos electroquímicos y fotoelectroquímicos.

Impresión 2-D y 3-D y la naturaleza pseudocapacitiva de los electrodos 3C-SiC

El equipo controló el ancho y la profundidad de las líneas convertidas o zanjas en un sustrato después de un solo escaneo láser para el desarrollo controlado de un compuesto semiconductor / elastómero. Como prueba de concepto, ellos vectorizaron e imprimieron una pintura 2-D en PDMS y detectaron SiC en los detalles usando mapeo Raman. Para la impresión 3D, utilizaron una técnica capa por capa de SiC en el PDMS cortado y una nueva capa de PDMS encima, para lograr la fusión de SiC entre capas. Usando los compuestos impresos 3C-SiC / grafito / PDMS, Nair et al exploraron las propiedades electroquímicas del 3C-SiC. Lo lograron preparando un electrodo conectando eléctricamente el lado grafítico de un parche de grafito / SiC rayado a un alambre de cobre usando pasta de plata. Luego sellaron el dispositivo y solo expusieron el SiC densamente empaquetado al electrolito. La capacitancia de doble capa registrada y la resistencia de transferencia de carga reducida podrán facilitar un mejor acoplamiento entre la superficie compuesta y las células y tejidos en experimentos de modulación biológica.

Luego, los científicos imprimieron y probaron los dispositivos bioelectrónicos flexibles basados ​​en SiC para la estimulación de tejidos. Después de montar un corazón de rata en contracción viable, colocaron un dispositivo flexible de SiC contra los ventrículos izquierdo y derecho para administrar estimulación eléctrica al corazón. Tras la estimulación, la frecuencia cardíaca se sincroniza simultáneamente con la frecuencia de estimulación para interrumpir la señal de electrocardiografía (ECG) que indica un claro efecto de estimulación de sobremarcha. Cuando cesaron la estimulación eléctrica, el corazón volvió a su ritmo lento del nódulo auriculoventricular. El experimento mostró cómo el compuesto SiC / grafito / PDMS era totalmente aplicable para la modulación de tejidos y órganos. Nair y col. estudiaron adicionalmente las actividades electroquímicas de la superficie de SiC después de la excitación óptica y los resultados indicaron una salida fotoanódica de los dispositivos de 3C-SiC impresos. Confirmaron las observaciones mediante una reacción química para oxidar el agua a peróxido de hidrógeno y, basándose en los resultados, propusieron más investigaciones para comprender el mecanismo exacto del proceso catalítico observado. Dado que el peróxido de hidrógeno y otras especies reactivas de oxígeno suelen desempeñar un papel importante para modular las células del músculo liso, el equipo estudió los efectos de H ₂ O ₂ utilizando 3C-SiC como reservorio para la estimulación muscular. Con base en los resultados, sugieren aplicaciones terapéuticas remotas del dispositivo para facilitar la vasoconstricción en cirugías de trauma o la contracción del esfínter después de una lesión crónica de la médula espinal.

De este modo, Vishnu Nair y sus colegas demostraron la escritura láser en 2-D y 3-D de 3C-SiC dopado con nitrógeno en sustratos de PDMS. La capa resultante estableció una interfaz rígida y suave con PDMS. Los dispositivos flexibles actuaron como electrodos de estimulación para corazones aislados y como fotoelectrodos para la producción localizada de peróxido de hidrógeno. Los científicos tienen como objetivo integrar a la perfección los compuestos semiconductores / elastómeros en la investigación de órgano en un chip u organoide en un chip, o en sistemas de microfluidos para actividad fotoelectroquímica. Los estudios futuros también investigarán con precisión el mecanismo electroquímico subyacente a H ₂ O ₂ producción en el dispositivo.

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