作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 激光书写过程及其应用的示意图
(1)CO2激光在PDMS衬底上写入图案，其中图案可以是(1)在表面上，(2)沟槽，或(3)导致形成两个不同部分的切口
架构(I)至(iii)作为激光功率和写入速度的函数出现
由于烧蚀过程的性质，在碳化硅下面形成石墨层
(二)激光书写电极是一种柔性电极，可以与心脏结合，并通过电脉冲刺激心脏，从而起搏
(三)激光写入电路可用于相互连接的细胞群的光电化学调制
学分:科学进步，doi: 10
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aaz2743 在材料科学中，导电和半导体材料可以嵌入绝缘聚合物基底中，用于生物界面应用
然而，直接使用化学过程来实现复合结构是具有挑战性的
激光辅助合成是一种用于制备各种材料的快速且廉价的技术，但其在生物物理工具和生物医学材料构建中的应用仍有待探索
在一份新的报告中，毗湿奴·奈尔和芝加哥大学和美国西北大学的化学、分子工程、物理和原子探针断层扫描研究小组
S
，使用激光写入将部分聚二甲基硅氧烷(PDMS)转化为掺氮立方碳化硅(3C碳化硅)
通过使用海绵状石墨层将致密的3C-碳化硅表面层连接到PDMS基体，它们促进了两个表面之间的电化学和光电化学活性
他们在PDMS开发了二维碳化硅图案和独立的三维结构
Nair等人
通过应用用于隔离心脏起搏的柔性电极和用于向平滑肌片局部输送过氧化物的光电极，建立了激光产生的复合物的功能
这项工作现在发表在《科学进展》杂志上
激光辅助材料合成 通过激光辅助工艺的材料合成由于其易于应用、低成本和产生复杂相的独特能力而被普遍使用
激光生产的复合材料可以扩展设计原则，开发用于生物传感和活动的材料和设备
例如，科学家以前曾使用石墨烯/石墨基导电材料，通过激光书写来电化学检测汗液中的代谢物
在目前的工作中，研究小组选择了硅以外的材料平台来执行多尺度生物成分的电子、电化学、光化学和光热控制
硅的缺点包括在生理条件下的降解和有限的电化学性能
生物电子学和生物材料必须促进操作的灵活性，而不是结构的精确性
因此，在生物界面研究中需要结合激光书写或基于喷嘴的印刷技术，以开发节约和用户友好的材料和设备
扫描电镜能谱揭示了3C碳化硅锰氧化物的化学组成
英语翻译
晶体的放大图，显示了无电沉积产生的氧化锰(x～2)涂层
E-h
(d)所示晶体上各种元素的能谱图
学分:科学进步，doi: 10
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aaz2743 碳化硅 Nair等人
由于碳化硅在半导体工业中的重要性，在这项工作中使用了碳化硅
立方3C多型体(3C-碳化硅)显示出高电子迁移率、热导率和饱和漂移速度，尽管其合成需要严格的条件
该团队展示了使用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为前体的3C碳化硅的二维和三维激光图案
他们在富氮气氛下利用激光烧蚀制造了一层致密的碳化硅层，以生产出具有预期几何形状的复合材料
与嵌入的石墨网络一起，碳化硅表现出假电容电化学行为和光电化学活性
科学家用二氧化锰(二氧化锰或氧化锰)将碳化硅功能化，以提高其光电化学活性
利用这些基于碳化硅的装置，他们控制了离体心脏和培养细胞的活动
这项工作展示了激光书写如何有效地为生物界面研究产生灵活的多功能半导体/弹性体相互作用
用碳化硅生物模拟物刺激原代人主动脉平滑肌细胞(甲)在3C-碳化硅中的氮掺杂和随后的能带弯曲表明光刺激后可能发生纯氧化反应
(二)光电流测量装置示意图(上图)和10毫秒375纳米发光二极管脉冲期间3C-碳化硅光响应的代表性轨迹，揭示了光阳极氧化反应
对3C-碳化硅和3C-碳化硅-二氧化锰的荧光动力学测量证实了水氧化成过氧化氢，并显示了每平方厘米的材料在光照射下由水氧化产生的过氧化氢的相对浓度
(四)平滑肌细胞外源性H2O2信号通路示意图
外源性过氧化物引起三磷酸肌醇受体(IP3R)的激活增加，诱导钙从内质网/肌浆网等内部储存体释放和外源性钙的摄取
(五)不同钙反应的代表性痕迹，取决于与收缩周期相关的刺激时间
(六)在平滑肌细胞群上使用显微镜Z堆叠的装置级实施示意图
比例尺，仅沿Z轴100微米
(7)三维热图，显示从细胞群中的刺激点传播的钙波
比例尺，50微米
CB，导带；VB，价带；GPCR，G蛋白偶联受体；受体酪氨酸激酶
学分:科学进步，doi: 10
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aaz2743 碳化硅的合成及结构表征 在实验过程中，奈尔等人
准备一个纯PDMS聚合物板，并将其放在商用激光切割平台上，将聚合物烧蚀成感兴趣的图案
该过程将材料转化为黄色固体，与PDMS矩阵有一层薄而暗的连接
该团队使用暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)分析了结构
结果揭示了一个紧密堆积的固体层与类似石墨的海绵状层状晶格网络之间的界面
结果证实了通过海绵状石墨网络连接到PDMS的3C-碳化硅的一步合成，其中直接激光点可能促进了高温下PDMS向碳化硅的转化，而周围环境的较低温度导致石墨形成
由此产生的基于热梯度的半导体-导体结是许多电化学和光电化学器件的必要配置
二维和三维印刷以及3C碳化硅电极的赝电容性质 该团队在单次激光扫描后控制衬底上转换线或沟槽的宽度和深度，以控制半导体/弹性体复合材料的发展
作为概念的证明，他们在PDMS上矢量化并打印了一幅二维画，并使用拉曼映射检测了细节中的碳化硅
对于三维打印，他们在切割的PDMS上使用了一层又一层的碳化硅技术，在它上面使用了一层新的PDMS技术，以实现层间碳化硅融合
利用印刷的3C-碳化硅/石墨/PDMS复合材料，奈尔等人探索了3C-碳化硅的电化学性能
他们通过用银浆将刮伤的碳化硅/石墨补片的石墨面与铜线电连接来制备电极
然后，他们密封了这个装置，只将密密麻麻的碳化硅暴露在电解液中
记录的双层电容和降低的电荷转移电阻将能够在生物调制实验中促进复合表面与细胞和组织之间的改善的耦合
用电子显微镜对激光印刷的碳化硅进行结构分析，结果显示下面形成了石墨层
(一)HAADF-干细胞图像显示多孔石墨表面与碳化硅整合
放大后的图像显示，蓝色和绿色标记的区域中有层状石墨结构
(二)3C碳化硅的切片，其衍射图(三)取自[011]索引区
显示立方碳化硅晶格的HAADF-斯特图像
x光衍射揭示了碳化硅的3C多型体，下面有堆垛层错和石墨层
显示氮掺杂的3C-碳化硅样品的原子探针重建
元素映射:红色，C；蓝色，Si；和绿色
(克)
来自APT的质谱表明氮存在于碳化硅晶格中，并与碳和硅原子结合
比例尺，(A) 0
1微米(左)，10纳米(中)，10纳米(右)；(二)100纳米；(四)1纳米；(英)20海里
A
U
，任意单位
学分:科学进步，doi: 10
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aaz2743 开发用于心脏起搏和光电极的柔性电化学电极 科学家们随后印刷并测试了用于组织刺激的碳化硅基柔性生物电子设备
在安装了一个可行的收缩大鼠心脏后，他们将一个柔性碳化硅装置放在左右心室上，向心脏输送电刺激
在刺激时，心率与刺激速率同步，以中断指示明显超速起搏效应的心电图信号
当他们停止电刺激时，心脏恢复到缓慢的房室结节律
实验表明碳化硅/石墨/PDMS复合材料完全适用于组织和器官调节
Nair等人
此外，研究了光激发后碳化硅表面的电化学活性，结果表明印刷3C-碳化硅器件的光阳极输出
他们通过将水氧化成过氧化氢的化学反应证实了这些观察结果，并根据这些结果提出了进一步的研究，以了解所观察到的催化过程的确切机理
由于过氧化氢和其他活性氧通常在调节平滑肌细胞中起重要作用，研究小组利用3C碳化硅作为肌肉刺激的储库，研究了过氧化氢的作用
根据结果，他们建议远程治疗应用该装置，以促进创伤手术中的血管收缩或慢性脊髓损伤后的括约肌收缩
激光印刷碳化硅可以形成2D和三维结构
(一)由光学显微镜确定的激光打印分辨率，作为激光功率和扫描速度的函数，表示为等高线图
(二)由光学显微镜确定的激光印刷深度，作为激光功率和扫描速度的函数，表示为等高线图
(三)一幅在PDMS矢量化印刷的画
比例尺，1厘米
揭示碳化硅的印刷图案上氮缺陷发光的拉曼图谱
比例尺，2毫米
(五)3C碳化硅的氮缺陷发光拉曼光谱
(六)三维打印的多层矢量设计
(七)逐层印刷法，获得稳定的三维集成结构
图片来源:芝加哥大学的易
(一)后续层的焊接，(二)PDMS食人鱼蚀刻，(三)独立的碳化硅-石墨结构
学分:科学进步，doi: 10
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aaz2743 通过这种方式，毗湿奴·奈尔和他的同事演示了在PDMS衬底上用二维和三维激光写入掺氮3C-碳化硅
由此产生的层与PDMS建立了无缝的软硬界面
这种柔性装置可以作为离体心脏的刺激电极，也可以作为局部产生过氧化氢的光电极
科学家们的目标是将半导体/弹性体复合材料无缝集成到芯片上的器官或芯片上的器官研究中，或者用于光电化学活动的微流体系统中
未来的研究也将精确地调查该装置中H2O2产生的电化学机制
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