激光刻寫(xie) 過程及其應用的圖示圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz2743

在材料科學領域，導體(ti) 和半導體(ti) 材料可以被嵌入絕緣的聚合物基底中，以在生物界麵上得以應用。然而，直接通過化學過程得到這樣一種複合結構卻極具挑戰性。激光輔助合成是一種用於(yu) 製備多種材料的快速且成本低廉的技術手段，但是這種技術在製造生物物理工具和生物醫學材料方麵的應用還並未被深入研究過。在一篇最近的報道中，Vishnu Nair與(yu) 一支來自芝加哥大學和西北大學，匯集了化學，分子工程，物理學和原子探針斷層掃描領域人才的科研團隊合作，使用激光刻寫(xie) 將聚二甲基矽氧烷（PDMS）基質的部分區域轉變成為(wei) 了氮摻雜的立方碳化矽（3C-SiC）。他們(men) 通過使用海綿狀的石墨層將致密的立方碳化矽層與(yu) PDMS基質相接，提升了這兩(liang) 層表麵之間的電化學和光電化學活性。他們(men) 也開發了在PDMS表麵的二維碳化矽圖樣以及獨立的碳化矽三維構造。Nair等人同時也為(wei) 這些激光製造的複合體(ti) 材料建立了功能應用的基礎，他們(men) 先是將其使用在柔性電極上，用於(yu) 刺激離體(ti) 心髒搏動；又將之使用在光化學電極上，為(wei) 平滑肌片層局部輸送過氧化物。這項工作現如今已發表於(yu) 《科學進展》。

激光輔助的材料合成

激光輔助的材料合成由於(yu) 其簡單的應用，低廉的成本，以及其獨一無二的製備複雜多相結構的能力而被經常使用。激光製造的複合材料的設計原理也可以拓展為(wei) 生物傳(chuan) 感和生命活動研發的材料和器件。比如，科學家們(men) 曾使用激光刻寫(xie) 來製備基於(yu) 石墨/石墨烯的導體(ti) 材料，並用於(yu) 汗液中代謝物的電化學檢測。在現今的這一工作中，研究團隊選用了除了矽之外的另一種材料平台，實現了對多尺度的生物組分進行電學，電化學，光化學，以及光熱控製。矽的缺點包括其在生理條件下會(hui) 降解以及其有限的電化學性能。相比提升結構的精確性，生物電子器件和生物材料必須要更注重提升操作的靈活性。因而，在生物界麵研究中一直存在著引入激光刻寫(xie) 技術或者基於(yu) 噴嘴的噴印技術的需求，用以開發經濟節約，並且用戶友好的材料和器件。

掃描電子顯微鏡-能量色散X射線譜 （SEM-EDS）揭示了3C-SiC-MnOx的化學組成。圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz2743

碳化矽

Nair等人在這一工作中使用碳化矽的原因在於(yu) 其在半導體(ti) 工業(ye) 中的重要性。盡管其合成需要嚴(yan) 苛的條件，立方3C晶型的碳化矽（3C-SiC）仍具有高電子遷移率，高熱導率，以及高飽和漂移速率的特點。該研究團隊使用PDMS（聚二甲基矽氧烷）作為(wei) 前體(ti) ，展示了3C-SiC通過激光刻寫(xie) 得到的二維和三維圖樣。通過在富氮氣氛下使用激光燒蝕，他們(men) 得到了一層致密的碳化矽層，進而按照預想的幾何形狀製備出這種複合材料。碳化矽在嵌入的石墨網絡的幫助下，展現出了贗電容性的電化學性質和光電化學活性。研究者們(men) 又使用二氧化錳將碳化矽功能化，以進一步提升其光電化學活性。利用這些基於(yu) 碳化矽的器件，他們(men) 成功在離體(ti) 心髒和培養(yang) 的細胞中實現了對生命活動的操控。這項工作展現出了激光刻寫(xie) 是如何為(wei) 生物界麵研究高效地製造靈活的多功能柔性半導體(ti) 材料的。

使用碳化矽仿生器件對人類主動脈平滑肌細胞進行刺激。圖片來源：Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz2743

碳化矽的合成與(yu) 結構表征

在實驗中，Nair等人準備了一塊純淨的PDMS聚合物平板，並在一台商用激光切割平台上將其燒蝕出想要的圖樣。這個(ge) 過程會(hui) 將聚合物材料轉化成一種通過一層深色薄層連接著PDMS基質的黃色固體(ti) 。研究團隊使用暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM），透射電子顯微鏡（TEM），以及選區電子衍射（SAED）分析了其結構。結果顯示出了在界麵兩(liang) 側(ce) 分別是帶有整齊晶體(ti) 的致密固體(ti) 層與(yu) 類似石墨的海綿狀層狀晶格網絡。這些結果證實了這種一步式合成法成功製備出了由海綿狀石墨網絡連接著3C-SiC和PDMS的結構。激光光點的直射產(chan) 生的高溫可能促使了PDMS轉化為(wei) SiC，而周圍環境相對低一些的溫度則可能導致了石墨的形成。最終所得到的這種基於(yu) 熱梯度形成的半導體(ti) -導體(ti) 結對於(yu) 許多電化學與(yu) 光電化學器件而言都是必需的組件。

3C-SiC電極的二維與(yu) 三維打印及其贗電容性質

在完成了一次普通的激光掃描之後，研究團隊又對基底上的刻線或溝槽的寬度與(yu) 深度進行了控製，以便進行半導體(ti) -柔性體(ti) 複合材料的可控開發。作為(wei) 一個(ge) 概念上的驗證，他們(men) 將一張二維圖畫向量化後打印在了PDMS上，然後利用拉曼光譜掃描，以從(cong) 細節上檢測SiC的形成。對於(yu) 三維打印，他們(men) 則使用了逐層打印的方法，通過在打印好了SiC的一層PDMS基質上添加一層新的PDMS基質，繼而再在新基質上進行打印的方法以達到SiC在層間的結合。Nair等人在打印好的3C-SiC-石墨-PDMS複合材料上研究了3C-SiC的電化學性質。他們(men) 首先將石墨-SiC複合層的石墨側(ce) 通過銀漿連接上銅導線，使之成為(wei) 一個(ge) 電極，然後再將整個(ge) 裝置密封起來，隻讓致密的SiC暴露於(yu) 電解質中。記錄下來的雙電層電容及降低的電荷轉移阻抗則可以幫助研究者們(men) 讓裝置在生物調控實驗中實現複合材料表麵與(yu) 細胞和組織之間更佳的偶合。

這些科學家們(men) 接下來打印出了基於(yu) SiC的柔性生物電子器件，並測試了其在組織刺激上的功能。他們(men) 先固定了一顆還在搏動的大鼠心髒，然後將柔性SiC器件放置於(yu) 在左右心室上以對心髒提供電信號刺激。心髒受到刺激時，心律同時與(yu) 刺激信號的頻率同步，擾亂(luan) 了心電圖，顯示出明顯的超速起搏效果。而當電刺激停止時，心髒又回歸了其緩慢的房室結節律。這一實驗顯示了SiC-石墨-PDMS複合材料完全可以應用於(yu) 對組織和器官的調節。除此之外，Nair等人還研究了SiC表麵在光激發後的電化學性質。結果顯示打印出的3C-SiC器件具有作為(wei) 光陽極的性質。他們(men) 通過水被氧化成過氧化氫的化學反應證實了了這一發現，並基於(yu) 這一結果，進一步提出了相應的研究方案以了解他們(men) 所觀察到的催化過程的確切機理。鑒於(yu) 過氧化氫以及其他活性氧物種通常在平滑肌細胞的調節中扮演重要作用，該團隊用3C-SiC作為(wei) 過氧化氫源，研究了過氧化氫對肌肉的刺激效果。根據實驗結果，他們(men) 提出了將這種器件應用於(yu) 遠程醫療，用以在創傷(shang) 手術中幫助血管收縮，或者在慢性脊髓損傷(shang) 後幫助括約肌收縮。

通過這種方法，Vishnu Nair及其同事們(men) 展示了如何用激光在PDMS基底上二維地或三維地刻寫(xie) 出氮摻雜的3C-SiC。得到的SiC層與(yu) PDMS形成了軟硬的無縫接合。這種柔性器件可以作為(wei) 離體(ti) 心髒的刺激電極，亦可以作為(wei) 光電極在局部產(chan) 生過氧化氫。這些科學家們(men) 的目標是將這種半導體(ti) -柔性體(ti) 複合材料無縫整合到對“芯片上的器官”或“芯片上的類器官”的研究中，或者利用其光電化學性質將其整合到微流體(ti) 係統中。之後的研究也會(hui) 更為(wei) 準確地探究這種器件產(chan) 生過氧化氫的電化學機理。