在一张简单的茶几上放着一个廉价的商用激光切割机，通常用于加工木材或塑料。然而，在芝加哥大学的科学家Vishnu Nair和Bozhi Tian的实验室里，出来的不是雕刻的木头，而是一个可以挽救生命的小型生物电子设备。
这一切都始于一种叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的化合物，它是一种弹性体——一种非常有弹性、可拉伸的材料。然而，激光可以将PDMS转变为致密的碳化硅层，这对电子器件很有用。
这种特性可以用一种比传统制造更便宜、更容易的方式来塑造生物电子产品，同时也很容易大规模生产——这是任何产品为普通用途生产所必须的。
“这是生物电子学的一种新范式，”奈尔说。奈尔是芝加哥大学的一名研究生，也是8月21日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文的主要作者。“这项技术有可能扩大规模，用于制造高质量的人体起搏器或其他医疗应用。”
研究人员说，包裹有机组织的软PDMS和支持电子元件的硬碳化硅的结合是关键。
为了附着在柔软的可变形单元上，所述软构件特别重要;生物电子设备和细胞之间的机械不匹配可能意味着功能的丧失。同时，碳化硅特别适合这种应用，因为它在体内不会降解。
在过去，这些软的和硬的组件必须分别合成，然后再一起成型。而在这种方法中，软的PDMS切片通过精密的激光雕刻直接变成碳化硅，实现无缝集成。
“这在生物电子学领域是第一次，”化学系副教授、生物与半导体系统界面专家田说。“我们探索了新的化学方法，使用经济有效的商业可用材料。”
为了测试这种新材料，研究人员将这种复合材料植入大鼠心脏，并对其进行电信号处理。心率立即与设备同步。
其他用途包括科学测量，甚至刺激动脉平滑肌细胞。通过光触发化学物质如过氧化氢的产生，一个生物电子设备可以向附近的细胞发出信号，从而产生针对性反应。这意味着对肌肉细胞收缩和放松周期的潜在控制。这些设备有可能在手术过程中用于“远程控制”动脉，以及治疗脊髓损伤患者的肌肉。此外，本文还为其他研究人员打开了一扇门，以寻找新的应用，使用这种方法来构建二维和三维电子设备。
奈尔说:“这种方法快速、廉价，而且生产出高质量的产品。”“通过这种方法，一种廉价的激光切割机可能被用来制造出下一波负担得起的、有可能拯救生命的生物医学设备。”
参与这项研究的其他芝加哥大学研究人员包括本科生查尔斯·t·加拉格尔;研究生江元文(现在斯坦福大学)，凌源孟和Aleksander日尔博斯基;博士后研究员高翔(现任职于国家可再生能源实验室)、Menahem Rotenberg(现任职于以色列理工学院)和Jaeseok Yi(现任职于三星);以及化学系的研究专家岳继平(音译)。
使用的设备包括西北大学的NUCAPT和Keck-II中心、芝加哥伊利诺大学的EMC、芝加哥大学地球物理科学系的MRSEC和FIB-SEM设备。
引用:“用于生物调制的氮掺杂碳化硅的激光书写”，奈尔等人，《科学进展》，2020年8月21日。DOI: 10.1126 / sciadv.aaz2743
资助:美国国立卫生研究院、美国空军科学研究办公室、美国陆军研究办公室和美国海军研究办公室。