Спикулы из полупроводникового кремния входят в ткани, как жало пчелы
Ученые разработали новый подход для более тесной интеграции медицинских устройств с биологическими системами. Исследователи, во главе с Божи Тянь, доцентом кафедры химии в Университете Чикаго, впервые разработали кремниевые спикулы подобные костной ткани с помощью химических процессов.
"Используя механизм образования костной ткани в качестве направления работы, группа, Тяня, разработала синтетический материал из кремния, который показал возможность улучшения взаимодействия между мягкими тканями и твердыми материалами, « сказал Джо Аккара, директор программы исследований материалов Национального научного фонда, который финансирует это исследование. "Это результат фундаментальных научных исследований. Группа Тяна создала материал, который может повысить функции мягких тканей."
В статье, опубликованной в журнале Science , Тянь и его соавторы из университета Чикаго и Северо-Западного университета описали свой новый метод синтеза и изготовления мезоскопических трехмерных полупроводников (промежуточного размера).
"Это открывает новые возможности для построения электроники для повышения чувствительности и стимулирования на био-интерфейсах, « сказал ведущий автор Чжицян Ло, аспирант лаборатории Тяня.
Команда добилась трех достижений в развитии полупроводниковых и биологических материалов. Одно достижение – демонстрация трехмерной литографии с помощью строго химических способов. Существующие методы литографии используют возможности более плоских поверхностей . В лабораторной системе был имитирован естественный процесс реакции-диффузии , что приводит к нарушению формы симметрии, как в природе: например ,рифленая и зубчатая форма жала пчелы .
Команда Тиана разработала синтез модуляции напряжения, чтобы способствовать росту нанопровода кремния и индукцию в кремнии паттернов на основе золота. Золото выступает в качестве катализатора роста кремния. С помощью повторного увеличения и уменьшения давления на образцы, исследователи смогли контролировать осаждение золота и диффузию вдоль фасеточных поверхностей силикона.
"Идея использования циклов осаждения-диффузии может быть применена к синтезу более сложных 3D полупроводников, « говорит соавтор исследования Юань Вень Цзян, аспирант кафедры химии университета Чикаго .
3D травление кремния
Полупроводниковая промышленность использует химическое травление с травлением-сопротивлением для того, чтобы создать плоские узоры на кремниевых пластинах. Части пластины покрываются тонкой пленкой, физически блокирующей травление, для осуществления травления только на открытых участках поверхности.
Следующее достижение команды ученых это то, что Тянь и его коллеги разработали новый химический метод, в котором используется удивительная способность атомов золота ловить электроны, проходящие через кремний, и избирательно предотвращать травление.
К своему удивлению, исследователи обнаружили, что даже незначительное покрытие поверхности кремниевой матрицы атомами золота предотвращает от травления происходящего рядом. Этот метод также применяется в 3D литографии многих других полупроводниковых соединений.
"Это принципиально новый механизм для травления маской или травления сопротивлением, « сказал Тянь. "Весь процесс химический."
Дальнейшее тестирование показало третье достижение научных изысканий. Тестирование показало, что синтетические кремниевые иглы входят в гораздо более сильное взаимодействие с коллагеновыми волокнами , наподобие кожи встроенной в биологическую ткань, чем имеющиеся в настоящее время кремниевые структуры. Тянь и его коллеги вставили синтетические спикулы и другие кремниевые структуры в коллагеновые волокна, затем вытащили их. Усилие, необходимое для выполнения каждого действия измерялось атомно-силовым микроскопом.
"Одним из основных барьеров в области биоэлектроники или имплантатов было то, что интерфейс между электронным устройством и тканями или органом был не устойчивым, « сказал Tian.
Спикулы продемонстрировали возможность преодолеть этот барьер. Они легко проникали в коллаген и затем глубоко укоренялись , так же, как жало пчелы в коже человека.
