在一项新的研究中，芝加哥大学的科学家们发现，洞还可以改善包括医疗设备在内的技术。这篇发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的论文描述了一种制造太阳能电池的全新方法:在顶层蚀刻孔洞，使其多孔。这项创新可以为微创心脏起搏器或类似的医疗设备奠定基础。它可以搭配一个小型光源，以减少目前植入心脏起搏器的笨重电池的体积。

“我们希望这为这一领域的进一步改进打开了许多可能性，”该论文的第一作者亚历山大·赫隆斯基(Aleksander凸起的ski)说。

轻松的工作

赫隆斯基是芝加哥大学(University of Chicago)化学家田博智(Bozhi Tian)实验室的一员，该实验室专门研究如何将生物组织和人工材料连接起来，比如调节大脑信号的导线，以及用于医疗植入的表面。

他们感兴趣的领域之一是制造可以由光供电的设备。我们最熟悉的技术是太阳能电池，但它们也可以使用任何光源，包括人造光源。当在体内工作时，这种设备被称为光电化学细胞，可以从植入体内的微小光纤中获得动力。

通常，太阳能电池需要两层，这可以通过将硅与另一种材料(如金)结合来实现，也可以通过在每个硅层中混合不同种类的原子来实现。

但是芝加哥大学田实验室的科学家们发现，他们可以用纯硅制造一种太阳能电池，如果他们制造一层多孔的，就像海绵一样。

由此产生的柔软、灵活的细胞直径可以小于5微米，大约是一个红细胞的大小。然后，它可以与一根光纤配对，这种光纤可以细到像人类的一缕头发——显著减少植入物的整体尺寸，使其更适合身体，更不容易产生副作用。

与传统太阳能电池的制造方法相比，多孔电池具有多重优势，在保持最终产品功效的同时简化了生产过程。

“你可以在几分钟内做出来，而且这个过程不需要高温或有毒气体，”赫隆斯基说。

该研究的合著者石久云补充说:“当我们测量它们时，我们看到光电流真的很高——比我们之前的设计高出两个数量级。”

然后，为了提高这种材料刺激心脏或神经细胞的能力，他们用氧等离子体来氧化表层。这一步对化学家来说是违反直觉的，因为氧化硅通常作为绝缘体，“你不希望光电化学效应被任何绝缘材料阻碍，”田说。然而，在这种情况下，氧化实际上有助于使硅材料亲水——吸引水——这提高了生物组织的信号。“最后，通过添加几原子厚的金属氧化物层，你可以进一步增强设备的性能，”另一位研究合著者李鹏举(音译)说。

因为所有的成分都可以被制成可生物降解的，科学家们可以想象这项技术被用于短期的心脏手术。不需要进行第二次手术切除，几个月后这些部位就会自然降解。这种创新的方法也可能对心脏再同步化疗法特别有用，这种疗法旨在纠正左右心室不能及时跳动的心律失常，因为这种设备可以放置在心脏的多个区域以提高覆盖率。

赫隆斯基还对神经刺激的可能应用感到兴奋。他说:“你可以想象将这种装置植入手腕或手部有慢性神经退化的人身上，以缓解疼痛。”

这种制造太阳能电池的新方法也可以用于可持续能源或其他非医疗应用。由于这些太阳能电池被设计成在液体环境下工作最好，芝加哥大学的科学家们认为它们可以用于人造树叶和太阳能燃料等应用。

田的团队正在与芝加哥大学的心脏研究人员合作，进一步开发最终用于人类的技术。他们还与芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心合作，将这一发现商业化。

岳继平、林毅良、朴继浑和Menahem Rotenberg也是这项研究的共同作者。

这项研究利用了普利兹克分子工程学院普利兹克纳米制造设施的资源;伊利诺伊创新网络;西北大学原子与纳米尺度表征实验中心、西北材料研究科学与工程中心;芝加哥大学材料研究科学与工程中心。

Journal Reference:

1. Aleksander Prominski, Jiuyun Shi, Pengju Li, Jiping Yue, Yiliang Lin, Jihun Park, Bozhi Tian, Menahem Y. Rotenberg. Porosity-based heterojunctions enable leadless optoelectronic modulation of tissues. Nature Materials, 2022; 21 (6): 647 DOI: 10.1038/s41563-022-01249-7