海绵状太阳能电池可以成为更好的心脏起搏器的基础

洞有助于使海绵和英式松饼变得有用(而且，在后者的情况下，味道鲜美)。如果没有孔，它们就没有足够的柔韧性来弯曲成小裂缝，或者吸收适量的果酱和黄油。

在一项新的研究中，芝加哥大学的科学家们发现，孔洞还可以改进技术，包括医疗设备。该论文发表在Nature Materials 上，描述了一种制造太阳能电池的全新方法：通过在顶层蚀刻孔以使其多孔。这项创新可以构成微创起搏器或类似医疗设备的基础。它可以与一个小型光源配对，以减小目前与当今心脏起搏器一起植入的笨重电池的尺寸。

“我们希望这为该领域的进一步改进开辟了许多可能性，”该论文的第一作者 Aleksander Prominski 说。

轻工

Prominski 是芝加哥大学化学家 Bozhi Tian 实验室的成员，该实验室专门研究连接生物组织和人造材料的方法，例如调节大脑信号的电线和医疗植入物的表面。

他们感兴趣的领域之一是制造可以由光供电的设备。我们最熟悉太阳能电池形式的这项技术，但它们也可以使用任何光源，包括人造光源。当在体内运行时，这种设备被称为光电化学电池，可以通过植入体内的微小光纤供电。

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，或者通过将不同种类的原子混合到每个硅层中来实现。

但是芝加哥大学田实验室的科学家们发现，如果他们像海绵一样制作一层多孔的层，他们可以用纯硅制造太阳能电池。

由此产生的柔软、柔韧的细胞可以小于 5 微米，大约是单个红细胞的大小。然后它可以与一根光纤配对，光纤可以制成像一根头发一样细——显着减小了植入物的整体尺寸，使其对身体更加友好，并且不太可能引起副作用。

与传统太阳能电池的制造方法相比，多孔电池具有多种优势，可以简化生产过程，同时保持最终产品的功效。

“你可以在几分钟内制作它们，而且这个过程不需要高温或有毒气体，”Prominski 说。

合著者 Jiuyun Shi 说：“当我们测量它们时，我们看到光电流非常高——比我们之前的设计高出两个数量级。”

然后，为了提高材料刺激心脏或神经细胞的能力，他们用氧等离子体处理它以氧化表层。这一步对化学家来说是违反直觉的，因为氧化硅最常作为绝缘体，“你不希望光电化学效应受到任何绝缘材料的阻碍，”田说。然而，在这种情况下，氧化实际上有助于使硅材料具有亲水性——被水吸引——从而增强了对生物组织的信号。“最后，通过添加几原子厚的金属氧化物层，可以进一步增强器件性能，”另一位研究合著者李鹏举说。

由于所有组件都可以生物降解，科学家们可以想象该技术被用于短期心脏手术。几个月后，这些部件会自然降解，而不是第二次手术切除。这种创新方法也可能对称为心脏再同步治疗的程序特别有用，该程序旨在纠正左右心室不及时跳动的心律失常，因为这些设备可以放置在心脏的多个区域以提高覆盖率.

Prominski 也对神经刺激的可能应用感到兴奋。“你可以想象将这些装置植入手腕或手部患有慢性神经退化的人身上，例如，以缓解疼痛，”他说。

这种制造太阳能电池的新方法也可能对可持续能源或其他非医疗应用感兴趣。由于这些太阳能电池的设计目的是在液体环境中发挥最佳作用，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医学院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。

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