science >> Wetenschap >  >> Chemie

Laserschrijven van met stikstof gedoteerd siliciumcarbide voor biologische modulatie

Schematische illustraties van het laserschrijfproces en zijn toepassingen. (A) CO2-laser schrijft een patroon op een PDMS-substraat waarbij het patroon (i) op ​​het oppervlak kan zijn, (ii) een greppel, of (iii) een doorsnijding die leidt tot de vorming van twee afzonderlijke stukken. Architecturen (i) tot (iii) ontstaan ​​als een functie van het laservermogen en de schrijfsnelheid. Een grafietlaag vormt zich onder het SiC vanwege de aard van het ablatieproces. (B) Lasergeschreven elektroden zijn flexibele elektroden die kunnen integreren met een hart en het kunnen stimuleren met elektrische impulsen die leiden tot de stimulatie ervan. (C) Lasergeschreven circuits kunnen worden gebruikt voor foto-elektrochemische modulatie van onderling verbonden cellulaire ensembles. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz2743

In de materiaalkunde, geleidende en halfgeleidende materialen kunnen worden ingebed in isolerende polymere substraten voor bruikbare biointerface-toepassingen. Echter, het is een uitdaging om de composietconfiguratie direct te bereiken met behulp van chemische processen. Laserondersteunde synthese is een snelle en goedkope techniek die wordt gebruikt om verschillende materialen te bereiden, maar hun toepassingen bij de constructie van biofysische hulpmiddelen en biomedische materialen moeten nog worden onderzocht. In een nieuw rapport Vishnu Nair en een onderzoeksteam in de chemie, moleculaire techniek, fysica en atoomsondetomografie aan de Universiteit van Chicago en de Northwestern University, ONS., gebruikte laserschrijven om delen van polydimethylsiloxaan (PDMS) om te zetten in met stikstof gedoteerd kubisch siliciumcarbide (3C-SiC). Ze faciliteerden elektrochemische en foto-elektrochemische activiteit tussen de twee oppervlakken door de dichte 3C-SiC-oppervlaktelaag te verbinden met de PDMS-matrix met behulp van een sponsachtige grafietlaag. Ze ontwikkelden tweedimensionale (2-D) siliciumcarbidepatronen in PDMS en vrijstaande 3D-constructies. Nair et al. stelde de functie vast van lasergeproduceerde composieten door flexibele elektroden toe te passen voor geïsoleerde hartstimulatie en foto-elektroden voor lokale peroxideafgifte aan gladde spierplaten. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Synthese van materialen met laserondersteuning

Materiaalsynthese via laserondersteunde processen wordt vaak gebruikt vanwege het gemak van toepassing, lage kosten en unieke capaciteit om complexe fasen te genereren. Met laser geproduceerde composieten kunnen de ontwerpprincipes uitbreiden om materialen en apparaten te ontwikkelen voor biologische detectie en activiteit. Bijvoorbeeld, wetenschappers hadden eerder op grafeen / grafiet gebaseerde geleidende materialen gebruikt met behulp van laserschrijven om metabolieten in zweet elektrochemisch te detecteren. In het huidige werk, het onderzoeksteam selecteerde een materiaalplatform naast silicium om elektronische, elektrochemisch, fotochemische en fotothermische controle van meerschalige biologische componenten. Nadelen van silicium (Si) zijn onder meer degradatie onder fysiologische omstandigheden en beperkte elektrochemische eigenschappen. Bio-elektronica en biomaterialen moeten operationele flexibiliteit meer faciliteren dan structurele precisie. Als resultaat, er is een vraag naar bio-interface-onderzoek om technieken van laserschrijven of op nozzles gebaseerd printen op te nemen om zuinige en gebruiksvriendelijke materialen en apparaten te ontwikkelen.

SEM-EDS onthult de chemische samenstelling van 3C-SiC-MnOx. advertentie. Vergrote weergave van kristallen met een coating van MnOx (x ~ 2), gemaakt met stroomloze afzetting. E-h. EDS-kaart van verschillende elementen op kristallen weergegeven in (d). Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz2743

Silicium carbide

Nair et al. gebruikte siliciumcarbide (SiC) in dit werk vanwege het belang ervan in de halfgeleiderindustrie. Het kubische 3C-polytype (3C-SiC) vertoonde een hoge elektronenmobiliteit, warmtegeleiding, en verzadigingsdriftsnelheid, hoewel de synthese ervan strenge voorwaarden vereiste. Het team toonde 2D- en 3D-laserpatronen van 3C-SiC met PDMS (polydimethylsiloxaan) als voorloper. Ze creëerden een dichte SiC-laag met behulp van laserablatie onder een stikstofrijke atmosfeer om composieten te produceren met de verwachte geometrieën. Samen met een ingebed grafietnetwerk, de SiC vertoonde pseudocapacitief elektrochemisch gedrag en foto-elektrochemische activiteit. De wetenschappers hebben het SiC gefunctionaliseerd met mangaandioxide (MnO 2 of MnO x ) om zijn foto-elektrochemische activiteit te verbeteren. Met behulp van deze SiC-gebaseerde apparaten, ze regisseerden de activiteit in geïsoleerde harten en in gekweekte cellen. Het werk toonde aan hoe laserschrijven op efficiënte wijze flexibele en multifunctionele halfgeleider/elastomeer-interacties voor bio-interfacestudies kan produceren.

Stimulatie van primaire menselijke gladde spiercellen van de aorta met SiC-biomimicry (A) De n-doping in 3C-SiC en daaropvolgende bandbuiging suggereert de mogelijkheid van pure oxidatiereacties na fotostimulatie. (B) Schematische voorstelling van een fotostroom-meetopstelling (boven) en een representatief spoor van een 3C-SiC-fotorespons tijdens een 10-ms light-emitting diode (LED) puls van 375 nm die een fotoanodische oxidatiereactie onthult. (C) Fluorescentiekinetiekmetingen op 3C-SiC en 3C-SiC-MnO2 bevestigen de oxidatie van water tot H2O2 en tonen de relatieve concentratie van H2O2 geproduceerd door oxidatie van water per vierkante centimeter met licht bestraald materiaal. (D) Schematische illustratie van een exogene H2O2-signaleringsroute in gladde spiercellen. Exogene peroxiden veroorzaken een verhoogde activering van de inositoltrifosfaatreceptor (IP3R), het induceren van de afgifte van calcium uit interne voorraden zoals endoplasmatisch reticulum (ER)/sarcoplasmatisch reticulum (SR) en opname van exogeen calcium. (E) Representatieve sporen van de verschillende calciumreacties, afhankelijk van de stimulatietiming met betrekking tot een samentrekkingscyclus. (F) Schematische voorstelling van een implementatie op apparaatniveau op een gladde spiercelensemble met een microscopie Z-stack. Schaalbalk, 100 m alleen langs de Z-as. (G) 3D-heatmaps die een calciumgolf tonen die zich voortplant vanuit het stimulatiepunt in het celensemble. Schaalbalk, 50 urn. CB, geleidingsband; vb, valentieband; GPCR, G-eiwit-gekoppelde receptor; RTK, receptortyrosinekinase. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz2743

Synthese en structurele karakterisering van siliciumcarbide

Tijdens de experimenten, Nair et al. bereidde een pure PDMS-polymeerplaat voor en plaatste deze op een commercieel lasersnijderplatform om het polymeer in een interessant patroon te ablateren. Het proces zette het materiaal om in een gele vaste stof met een dunne, donkere laag verbinding met de PDMS-matrix. Het team analyseerde de structuur met behulp van dark-field scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en elektronendiffractie met geselecteerd gebied (SAED). De resultaten onthulden een interface tussen een dicht opeengepakte vaste laag met goed gefacetteerde kristallen en een sponsachtig gelaagd roosternetwerk vergelijkbaar met grafiet. De resultaten bevestigden de eenstapssynthese van 3C-SiC verbonden met PDMS via een sponsachtig grafietnetwerk, waar een directe laserspot de conversie van PDMS naar SiC onder hoge temperatuur mogelijk heeft bevorderd, terwijl een lagere temperatuur in de omgeving leidde tot grafietvorming. De resulterende op thermische gradiënt gebaseerde halfgeleider-geleiderovergang is een vereiste configuratie voor veel elektrochemische en foto-elektrochemische apparaten.

2D- en 3D-printen en de pseudocapacitieve aard van 3C-SiC-elektroden

Het team controleerde de breedte en diepte van de geconverteerde lijnen of sleuven op een substraat na een enkele laserscan voor gecontroleerde ontwikkeling van een halfgeleider/elastomeercomposiet. Als proof-of-concept, ze vectoriseerden en printten een 2D-schilderij op PDMS en detecteerden SiC in de details met behulp van Raman-mapping. Voor 3D-printen, ze gebruikten een laag-voor-laag techniek van SiC op het gesneden PDMS en een nieuwe laag PDMS er bovenop, om SiC-fusie tussen de lagen te bereiken. Met behulp van de afgedrukte 3C-SiC/grafiet/PDMS-composieten, Nair et al. onderzochten de elektrochemische eigenschappen van 3C-SiC. Ze bereikten dit door een elektrode te maken door de grafietzijde van een bekraste SiC/grafiet-patch elektrisch te verbinden met een koperdraad met behulp van zilverpasta. Daarna verzegelden ze het apparaat en stelden alleen het dicht opeengepakte SiC bloot aan de elektrolyt. De geregistreerde dubbellaagse capaciteit en verminderde weerstand tegen ladingsoverdracht zullen een verbeterde koppeling tussen het composietoppervlak en cellen en weefsels in biologische modulatie-experimenten mogelijk maken.

Structurele analyse van lasergeprint SiC met behulp van elektronenmicroscopie toont de vorming van een grafietlaag eronder. (A) HAADF-STEM-afbeelding die een poreus grafietoppervlak onthult dat is geïntegreerd met SiC. Beelden met een hogere vergroting onthullen gelaagde grafietstructuren in de blauw en groen gemarkeerde gebieden. (B) Microtomed-sectie van 3C-SiC met zijn diffractiepatroon (C) genomen op [011] indexeringszone. (D) HAADF-STEM-afbeelding met kubieke SiC-rooster. (E) Röntgendiffractie die een 3C-polytype van SiC onthult met stapelfouten en een grafietlaag eronder. (F) Een reconstructie van een atoomsonde van een 3C-SiC-monster dat stikstofdoping onthult. Elementaire mapping:rood, C; blauw, Si; en groen, N. (G). Massaspectrum van APT dat wijst op stikstof aanwezig in SiC-rooster en de binding ervan met koolstof- en siliciumatomen. Schaalbalken, (A) 0,1 m (links), 10 nm (midden), 10 nm (rechts); (B) 100 nm; (D) 1 nm; (F) 20 nm. AU, willekeurige eenheden. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz2743

Ontwikkeling van flexibele elektrochemische elektroden voor hartstimulatie en als foto-elektroden

De wetenschappers hebben vervolgens de op SiC gebaseerde flexibele bio-elektronische apparaten voor weefselstimulatie geprint en getest. Na het opzetten van een levensvatbaar samentrekkend rattenhart, ze plaatsten een flexibel SiC-apparaat tegen de linker- en rechterventrikels om elektrische stimulatie aan het hart te leveren. Na stimulatie, de hartslag wordt gelijktijdig gesynchroniseerd met de stimulatiefrequentie om het elektrocardiografische (ECG)-signaal te verstoren, wat wijst op een duidelijk overdrive-stimulatie-effect. Toen ze stopten met elektrische stimulatie, het hart keert terug naar het trage atrioventriculaire knoopritme. Het experiment liet zien hoe de SiC/grafiet/PDMS-composiet volledig toepasbaar was voor weefsel- en orgaanmodulatie. Nair et al. bestudeerde bovendien de elektrochemische activiteiten van het SiC-oppervlak na optische excitatie en de resultaten wezen op een fotoanodische uitvoer van de geprinte 3C-SiC-apparaten. Ze bevestigden de waarnemingen via een chemische reactie om water te oxideren tot waterstofperoxide en op basis van de resultaten stelden ze verder onderzoek voor om het exacte mechanisme van het waargenomen katalytische proces te begrijpen. Aangezien waterstofperoxide en andere reactieve zuurstofsoorten typisch een belangrijke rol spelen bij het moduleren van gladde spiercellen, het team bestudeerde de effecten van H 2 O 2 met behulp van 3C-SiC als reservoir voor spierstimulatie. Op basis van de resultaten suggereren ze therapeutische toepassingen van het apparaat op afstand om vasoconstrictie bij trauma-operaties of sluitspiercontractie na chronisch ruggenmergletsel te vergemakkelijken.

Lasergeprint SiC kan 2D- en 3D-structuren vormen. (A) Laserafdrukresolutie bepaald door optische microscopie als een functie van laservermogen en scansnelheid, weergegeven als een contourplot. (B) Laserafdrukdiepte bepaald door optische microscopie als functie van laservermogen en scansnelheid, weergegeven als een contourplot. (C) een schilderij dat werd gevectoriseerd en afgedrukt op PDMS. Schaalbalk, 1cm. (D) Raman-toewijzing van luminescentie van stikstofdefecten op een gedrukt patroon dat SiC onthult. Schaalbalk, 2mm. (E) Stikstofdefect luminescentie Raman spectrum van 3C-SiC. (F) Meerlagig vectorontwerp voor 3D-printen. (G) Laag voor laag afdrukmethode om een ​​stabiele 3D-geïntegreerde structuur te verkrijgen. Fotocredit:Jaeseok Yi, de Universiteit van Chicago. (i) Lassen van volgende lagen, (ii) PDMS Piranha-ets, en (iii) vrijstaande SiC-grafietstructuur. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aaz2743

Op deze manier, Vishnu Nair en collega's demonstreerden 2D- en 3D-laserschrijven van met stikstof gedoteerd 3C-SiC op PDMS-substraten. De resulterende laag zorgde voor een naadloze hard-zachte interface met PDMS. De flexibele apparaten fungeerden als stimulatie-elektroden voor geïsoleerde harten en als foto-elektroden voor gelokaliseerde waterstofperoxideproductie. De wetenschappers streven ernaar om de halfgeleider/elastomeercomposieten naadloos te integreren in orgel-op-een-chip of organoïde-op-een-chip onderzoek, of in microfluïdische systemen voor foto-elektrochemische activiteit. Toekomstige studies zullen ook nauwkeurig het elektrochemische mechanisme onderzoeken dat ten grondslag ligt aan H 2 O 2 productie in het apparaat.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Syngenta schikt Amerikaanse boerenrechtszaken in Chinese maïshandelzaak
  2. Wetenschappers visualiseren de structuur van de belangrijkste DNA-reparatiecomponent met een bijna-atomaire resolutie
  3. 10 geweldige dingen die de hersenen van mensen hebben gedaan
  4. Death Valley wordt elke 10 jaar gevuld met wilde bloemen - het gebeurt nu!
  5. Nieuwe studie brengt prioriteitsgebieden over de hele wereld in kaart om zoogdieren te beschermen
  6. Dennen kappen:eerder vroeger dan later doen is beter voor fynbos
  7. Sluwe kraaien weten wat er nodig is om een ​​goed stuk gereedschap te maken
  8. Typen biologie-experimenten
  9. Makeup Science Projects

Wetenschap