海綿狀太陽能電池可以成為更好的心臟起搏器的基礎

洞有助于使海綿和英式松餅變得有用(而且，在后者的情況下，味道鮮美)。如果沒有孔，它們就沒有足夠的柔韌性來彎曲成小裂縫，或者吸收適量的果醬和黃油。

在一項新的研究中，芝加哥大學的科學家們發現，孔洞還可以改進技術，包括醫療設備。該論文發表在Nature Materials 上，描述了一種制造太陽能電池的全新方法：通過在頂層蝕刻孔以使其多孔。這項創新可以構成微創起搏器或類似醫療設備的基礎。它可以與一個小型光源配對，以減小目前與當今心臟起搏器一起植入的笨重電池的尺寸。

“我們希望這為該領域的進一步改進開辟了許多可能性，”該論文的第一作者 Aleksander Prominski 說。

輕工

Prominski 是芝加哥大學化學家 Bozhi Tian 實驗室的成員，該實驗室專門研究連接生物組織和人造材料的方法，例如調節大腦信號的電線和醫療植入物的表面。

他們感興趣的領域之一是制造可以由光供電的設備。我們最熟悉太陽能電池形式的這項技術，但它們也可以使用任何光源，包括人造光源。當在體內運行時，這種設備被稱為光電化學電池，可以通過植入體內的微小光纖供電。

通常，太陽能電池需要兩層，這可以通過將硅與另一種材料(如金)結合來實現，或者通過將不同種類的原子混合到每個硅層中來實現。

但是芝加哥大學田實驗室的科學家們發現，如果他們像海綿一樣制作一層多孔的層，他們可以用純硅制造太陽能電池。

由此產生的柔軟、柔韌的細胞可以小于 5 微米，大約是單個紅細胞的大小。然后它可以與一根光纖配對，光纖可以制成像一根頭發一樣細——顯著減小了植入物的整體尺寸，使其對身體更加友好，并且不太可能引起副作用。

與傳統太陽能電池的制造方法相比，多孔電池具有多種優勢，可以簡化生產過程，同時保持最終產品的功效。

“你可以在幾分鐘內制作它們，而且這個過程不需要高溫或有毒氣體，”Prominski 說。

合著者 Jiuyun Shi 說：“當我們測量它們時，我們看到光電流非常高——比我們之前的設計高出兩個數量級。”

然后，為了提高材料刺激心臟或神經細胞的能力，他們用氧等離子體處理它以氧化表層。這一步對化學家來說是違反直覺的，因為氧化硅最常作為絕緣體，“你不希望光電化學效應受到任何絕緣材料的阻礙，”田說。然而，在這種情況下，氧化實際上有助于使硅材料具有親水性——被水吸引——從而增強了對生物組織的信號。“最后，通過添加幾原子厚的金屬氧化物層，可以進一步增強器件性能，”另一位研究合著者李鵬舉說。

由于所有組件都可以生物降解，科學家們可以想象該技術被用于短期心臟手術。幾個月后，這些部件會自然降解，而不是第二次手術切除。這種創新方法也可能對稱為心臟再同步治療的程序特別有用，該程序旨在糾正左右心室不及時跳動的心律失常，因為這些設備可以放置在心臟的多個區域以提高覆蓋率.

Prominski 也對神經刺激的可能應用感到興奮。“你可以想象將這些裝置植入手腕或手部患有慢性神經退化的人身上，例如，以緩解疼痛，”他說。

這種制造太陽能電池的新方法也可能對可持續能源或其他非醫療應用感興趣。由于這些太陽能電池的設計目的是在液體環境中發揮最佳作用，芝加哥大學的科學家們認為它們可以用于人造樹葉和太陽能燃料等應用。

田的團隊正在與芝加哥大學醫學院的心臟研究人員合作，進一步開發最終用于人類的技術。他們還與芝加哥大學波爾斯基創業與創新中心合作，將這一發現商業化。

Jiping Yue、Yiliang Lin、Jihun Park 和 Menahem Rotenberg 也是該研究的合著者。