《Science Advances》：2D/3D打印制备无缝集成的氮掺杂碳化硅柔性器件

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分类：行业动态
发布时间：2023-08-01 17:40
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2020年8月21日，美国芝加哥大学化学系的研究人员在《Science Advances》上发表题为Laser writing of nitrogen-doped silicon carbide for biological modulation的研究论文，报道了采用激光写入工艺制备氮掺杂碳化硅的多功能柔性器件，可应用于生物界面研究。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz2743

研究简介

通过直接化学过程往往难以获得将导电或半导体材料嵌入绝缘聚合物衬底的复合结构。激光辅助合成作为一种快速且低成本的技术用于制备各种材料，但欠缺在构建生物物理工具或生物医学设备方面的应用。

基于此，本文使用3D激光写入工艺将部分聚二甲基硅氧烷(PDMS)转化为氮掺杂的立方碳化硅(3C-SIC)。致密的3C-SIC表面层通过海绵状石墨层与PDMS基体连接，增强了电化学和光电化学活性。

研究人员展示了在PDMS和独立的3D结构中制造基于SIC的任意2D图案。为了确定激光制造的复合材料的功能，研究人员将其作为柔性电极并用于离体心脏起搏，同时作为光电极并用于局部过氧化氢输送到平滑肌薄片。

研究内容解读

本研究展示了使用PDMS作为前驱体的3C-SiC的二维/三维激光图像化。通过激光烧蚀形成致密的SiC层，该层通过松散的石墨网络连接到绝缘的PDMS基体上(图1A)。同时通过控制激光条件，如功率和扫描速度，研究人员制备出具有表面、沟槽和嵌入几何形状的复合材料(图1A)。

激光辅助工艺将氮作为n型掺杂剂掺入SiC中。与石墨网络一起，碳化硅在柔性复合材料中表现出赝电容电化学行为和光电化学活性，而二氧化锰的表面功能化进一步提高了复合材料的光电化学活性。最后，研究人员使用这些基于SiC的设备来调节离体心脏(图1B)和培养细胞(图IC)的活性。研究结果表明，3D激光写入可成功生产柔性和多功能的半导体/弹性体复合材料，用于生物界面研究。

图1 激光书写过程及其应用示意图。

图2 利用电子显微镜对激光打印的碳化硅进行结构分析，发现其下方形成了石墨层。

图3 激光打印SiC可以制备出二维和三维结构。

图4 用柔性电极进行心脏起搏。

图5 SIC blomlmlcry对人主动脉平滑肌细胞的刺激作用。

研究结论

本工作演示了氮掺杂3C-SiC在PDMS衬底上的2D和3D激光写入工艺，其中3C-SiC层通过海绵状石墨层与PDMS建立了无缝的软硬界面。研究人员开发了基于SiC的柔性器件,作为离体心脏的伪电容耦合刺激电极，并作为光电极用于哺乳动物和微生物细胞调节的局部H2O2生产。

研究结果表明，无缝集成的半导体/弹性体复合材料未来将用于芯片上器官或类芯片上器官的研究，以及需要光电化学或电化学能力的微流体系统。未来的研究将涉及SiC/石墨和SiC/MnO界面和表面电荷转移的机理，以及不同激光烧蚀作用下3C-SiC的生长机制。同时过氧化氢在细胞内产生的精确电化学机制和信号转导途径也需进一步研究。

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