Onderzoekers hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om medische hulpmiddelen beter te integreren met biologische systemen. De onderzoekers, geleid door Bozhi Tian, assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Chicago, hebben de eerste skeletachtige siliciumspicules ontwikkeld die ooit via chemische processen zijn bereid.

"Met behulp van botvorming als richtlijn, de Tian-groep heeft een synthetisch materiaal van silicium ontwikkeld dat potentieel heeft om de interactie tussen zacht weefsel en harde materialen te verbeteren, " zei Joe Akkara, een programmadirecteur in de materiaalonderzoeksafdeling van de National Science Foundation, die dit onderzoek financiert. "Dit is de kracht van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. De Tian-groep heeft een materiaal gecreëerd dat voorlopig de functie van zacht weefsel lijkt te verbeteren."

In een Wetenschap paper gepubliceerd op 26 juni, Tian en zijn co-auteurs van UChicago en Northwestern University beschreven hun nieuwe methode voor de synthese en fabricage van mesocopic driedimensionale halfgeleiders (tussen de nanometer en macroscopische schalen).

"Dit opent een nieuwe kans voor het bouwen van elektronica voor verbeterde detectie en stimulatie op bio-interfaces, " zei hoofdauteur Zhiqiang Luo, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Tian.

Het team bereikte drie vorderingen in de ontwikkeling van halfgeleider- en biologische materialen. Een voorschot was de demonstratie, met strikt chemische middelen, van driedimensionale lithografie. Bestaande lithografische technieken creëren kenmerken over vlakke oppervlakken. Het laboratoriumsysteem bootst het natuurlijke reactie-diffusieproces na dat leidt tot symmetrie-brekende vormen in de natuur:de gegroefde en gekerfde vorm van een bijenstinger, bijvoorbeeld.

Tian's team ontwikkelde een drukmodulatiesynthese, om de groei van silicium nanodraden te bevorderen en op goud gebaseerde patronen in het silicium te induceren. Goud fungeert als de groeikatalysator van silicium. Door herhaaldelijk de druk op hun monsters te verhogen en te verlagen, de onderzoekers waren in staat om de neerslag en diffusie van het goud langs de gefacetteerde oppervlakken van het silicium te regelen.

"Het idee om depositie-diffusiecycli te gebruiken, kan worden toegepast op het synthetiseren van complexere 3D-halfgeleiders, " zei mede-hoofdauteur Yuanwen Jiang, een Seymour Goodman Fellow in chemie aan UChicago.

3D silicium etsen

De halfgeleiderindustrie gebruikt nat chemisch etsen met een etsweerstand om vlakke patronen op siliciumwafels te creëren. Delen van de wafel die met een dunne film zijn gemaskeerd, verhinderen fysiek dat het etsen wordt uitgevoerd, behalve op de open oppervlakken.

In een ander voorschot, Tian en zijn medewerkers ontwikkelden een nieuwe chemische methode die in plaats daarvan afhangt van het griezelige vermogen van goudatomen om siliciumdragende elektronen te vangen om selectief het etsen te voorkomen.

Tot hun grote verbazing de onderzoekers ontdekten dat zelfs een dun laagje goudatomen over de siliciummatrix zou voorkomen dat etsen in hun nabijheid zou plaatsvinden. Deze methode is ook van toepassing op de 3D-lithografie van veel andere halfgeleiderverbindingen.

"Dit is een fundamenteel nieuw mechanisme voor etsmasker of etsresist, " zei Tian. "Het hele proces is chemisch."

Nader testen bracht de derde vooruitgang van het project aan het licht. De tests toonden aan dat de synthetische siliciumspicules sterkere interacties vertoonden met collageenvezels - een huidachtige vervanging voor biologisch weefsel - dan de momenteel beschikbare siliciumstructuren. Tian en zijn medewerkers plaatsten de synthetische spicules en de andere siliciumstructuren in de collageenvezels, trok ze er toen uit. Een Atomic Force Microscope heeft de kracht gemeten die nodig is om elke actie uit te voeren.

"Een van de grootste hindernissen op het gebied van bio-elektronica of implantaten is dat de interface tussen het elektronische apparaat en het weefsel of orgaan niet robuust is, ' zei Tian.

De spicules zijn veelbelovend voor het nemen van deze hindernis. Ze drongen gemakkelijk door in het collageen, raakte toen diep geworteld, net als een bijenstinger in de menselijke huid.