p Na ciência dos materiais, materiais condutores e semicondutores podem ser incorporados em substratos poliméricos isolantes para aplicações de biointerface úteis. Contudo, é um desafio atingir a configuração do composto diretamente usando processos químicos. A síntese assistida por laser é uma técnica rápida e barata usada para preparar vários materiais, mas suas aplicações na construção de ferramentas biofísicas e materiais biomédicos ainda precisam ser exploradas. Em um novo relatório, Vishnu Nair e uma equipe de pesquisa em química, engenharia molecular, física e tomografia por sonda atômica na Universidade de Chicago e na Northwestern University, NÓS., usou gravação a laser para converter porções de polidimetilsiloxano (PDMS) em carboneto de silício cúbico dopado com nitrogênio (3C-SiC). Eles facilitaram a atividade eletroquímica e fotoeletroquímica entre as duas superfícies conectando a densa camada superficial 3C-SiC à matriz PDMS usando uma camada esponjosa de grafite. Eles desenvolveram padrões de carboneto de silício bidimensionais (2-D) em PDMS e construções 3-D independentes. Nair et al. estabeleceu a função de compósitos produzidos a laser pela aplicação de eletrodos flexíveis para estimulação cardíaca isolada e fotoeletrodos para entrega local de peróxido a lâminas de músculo liso. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência . p Síntese de materiais assistida por laser

p A síntese de materiais por meio de processos assistidos por laser é comumente usada devido à sua facilidade de aplicação, baixo custo e capacidade única de gerar fases complexas. Compósitos produzidos a laser podem expandir os princípios de design para desenvolver materiais e dispositivos para detecção e atividade biológica. Por exemplo, os cientistas já haviam usado materiais condutores à base de grafeno / grafite usando gravação a laser para detectar metabólitos eletroquimicamente no suor. No presente trabalho, a equipe de pesquisa selecionou uma plataforma de material além de silício para realizar a eletrônica, eletroquímico, controle fotoquímico e fototérmico de componentes biológicos multiescala. As desvantagens do silício (Si) incluem degradação sob condições fisiológicas e propriedades eletroquímicas limitadas. A bioeletrônica e os biomateriais devem facilitar a flexibilidade operacional mais do que a precisão estrutural. Como resultado, há uma demanda na pesquisa de biointerface para incorporar técnicas de gravação a laser ou impressão baseada em bocal para desenvolver materiais e dispositivos simples e fáceis de usar.

p Carboneto de silício

p Nair et al. utilizou carboneto de silício (SiC) neste trabalho devido à sua importância na indústria de semicondutores. O politipo 3C cúbico (3C-SiC) exibiu alta mobilidade de elétrons, condutividade térmica, e velocidade de deriva de saturação, embora sua síntese exigisse condições rigorosas. A equipe mostrou padrões de laser 2-D e 3-D de 3C-SiC usando PDMS (polidimetilsiloxano) como um precursor. Eles criaram uma camada densa de SiC usando ablação a laser sob uma atmosfera rica em nitrogênio para produzir compósitos com geometrias esperadas. Junto com uma rede de grafite embutida, o SiC apresentou comportamento eletroquímico pseudocapacitivo e atividade fotoeletroquímica. Os cientistas funcionalizaram o SiC com dióxido de manganês (MnO ₂ ou MnO _x ) para melhorar sua atividade fotoeletroquímica. Usando esses dispositivos baseados em SiC, eles dirigiram a atividade em corações isolados e em células cultivadas. O trabalho mostrou como a escrita a laser pode produzir eficientemente interações semicondutor / elastômero flexíveis e multifuncionais para estudos de biointerface.

p Síntese e caracterização estrutural de carboneto de silício

p Durante os experimentos, Nair et al. preparou uma placa de polímero PDMS puro e colocou-a em uma plataforma de corte a laser comercial para fazer a ablação do polímero em um padrão de interesse. O processo converteu o material em um sólido amarelo com um fino conexão da camada escura com a matriz PDMS. A equipe analisou a estrutura usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro (HAADF-STEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de elétrons de área selecionada (SAED). Os resultados revelaram uma interface entre uma camada sólida densamente compactada com cristais bem facetados e uma rede de rede em camadas esponjosas semelhante ao grafite. Os resultados confirmaram a síntese em uma etapa de 3C-SiC conectado ao PDMS por meio de uma rede de grafite esponjosa, onde um ponto de laser direto pode ter promovido a conversão de PDMS em SiC sob alta temperatura, enquanto a temperatura mais baixa no ambiente circundante levou à formação de grafite. A junção semicondutor-condutor com base em gradiente térmico resultante é uma configuração necessária para muitos dispositivos eletroquímicos e fotoeletroquímicos.

p Impressão 2-D e 3-D e a natureza pseudocapacitiva dos eletrodos 3C-SiC

p A equipe controlou a largura e a profundidade das linhas ou trincheiras convertidas em um substrato após uma única varredura a laser para o desenvolvimento controlado de um composto semicondutor / elastômero. Como prova de conceito, eles vetorizaram e imprimiram uma pintura 2-D no PDMS e detectaram o SiC nos detalhes usando o mapeamento Raman. Para impressão 3-D, eles usaram uma técnica de camada por camada de SiC no PDMS cortado e uma nova camada de PDMS em cima dele, para obter a fusão de SiC entre camadas. Usando os compostos 3C-SiC / grafite / PDMS impressos, Nair et al exploraram as propriedades eletroquímicas de 3C-SiC. Eles conseguiram isso preparando um eletrodo conectando eletricamente o lado grafítico de um remendo de SiC / grafite riscado a um fio de cobre usando pasta de prata. Em seguida, eles lacraram o dispositivo e expuseram apenas o SiC densamente compactado ao eletrólito. A capacitância de camada dupla registrada e a resistência de transferência de carga reduzida serão capazes de facilitar o acoplamento aprimorado entre a superfície do compósito e as células e tecidos em experimentos de modulação biológica.

p Desenvolvimento de eletrodos eletroquímicos flexíveis para estimulação cardíaca e como fotoeletrodos

p Os cientistas então imprimiram e testaram os dispositivos bioeletrônicos flexíveis baseados em SiC para estimulação de tecidos. Depois de montar um coração de rato viável em contração, eles colocaram um dispositivo de SiC flexível contra os ventrículos esquerdo e direito para fornecer estimulação elétrica ao coração. Após a estimulação, a freqüência cardíaca sincronizou simultaneamente com a freqüência de estimulação para interromper o sinal de eletrocardiografia (ECG), indicando um claro efeito de estimulação overdrive. Quando eles cessaram a estimulação elétrica, o coração retornou ao ritmo do nó atrioventricular lento. O experimento mostrou como o composto SiC / grafite / PDMS era totalmente aplicável para a modulação de tecidos e órgãos. Nair et al. adicionalmente estudou as atividades eletroquímicas da superfície de SiC após excitação óptica e os resultados indicaram uma saída fotoanódica dos dispositivos impressos 3C-SiC. Eles confirmaram as observações por meio de uma reação química para oxidar a água a peróxido de hidrogênio e, com base nos resultados, propuseram investigações adicionais para entender o mecanismo exato do processo catalítico observado. Uma vez que o peróxido de hidrogênio e outras espécies reativas de oxigênio normalmente desempenham um papel importante para modular as células musculares lisas, a equipe estudou os efeitos de H ₂ O ₂ usando 3C-SiC como um reservatório para estimulação muscular. Com base nos resultados, eles sugerem aplicações terapêuticas remotas do dispositivo para facilitar a vasoconstrição em cirurgias de trauma ou contração do esfíncter após lesão crônica da medula espinhal.

p Desta maneira, Vishnu Nair e colegas demonstraram gravação de laser 2-D e 3-D de 3C-SiC dopado com nitrogênio em substratos de PDMS. A camada resultante estabeleceu uma interface hard-soft contínua com PDMS. Os dispositivos flexíveis atuaram como eletrodos de estimulação para corações isolados e como fotoeletrodos para a produção localizada de peróxido de hidrogênio. Os cientistas pretendem integrar perfeitamente os compostos semicondutores / elastômeros na pesquisa de órgão em um chip ou organoide em um chip, ou em sistemas microfluídicos para atividade fotoeletroquímica. Estudos futuros também investigarão precisamente o mecanismo eletroquímico subjacente ao H ₂ O ₂ produção no dispositivo. p © 2020 Science X Network