因此，我们通过测量磷酸盐缓冲盐水（PBS）中材料的热载流子提取情况，评估了3DFG在激光激发下可能产生的光电流。


测量使用了连接到3DFG微电极的膜片钳放大器（图S3）。激发时，我们使用了波长为1064纳米的聚焦皮秒脉冲激光，因为这是通过光声产生的纳米冲击波进行细胞穿孔的最佳配置。在激发过程中，激光聚焦在3DFG表面，光斑直径为2微米，对于所测激光平均入射功率（分别为1.3至7.6毫瓦），功率密度在414至2419瓦/平方毫米之间。图1D展示了在不同激光强度下3DFG与PBS接触面产生的光电流。6毫秒激光脉冲序列产生的电流行为表明存在电容电流和法拉第电流的组合，这与之前对硅基纳米材料的观察结果一致。


具体而言，我们观察到在激光开启时有一个明显的初始电流峰值，随后在激光脉冲序列期间出现一个准稳态电流平台。在激光脉冲序列结束后，观察到一个幅度较低的负电流峰值。图1E展示了不同激光强度下的电容电流和法拉第电流。我们认为法拉第电流可能与3DFG中热载流子的发射有关，即那些处于热平衡之外的高能电子被材料排出并注入电解质。在基于石墨烯的3D纳米结构中产生热电子的现象此前已被证实。这些产生的热载流子已被提出是通过类似于俄歇机制从石墨烯中被弹出。在先前的一项研究中，纳米线模板化三维石墨烯（NT-3DFG）在低功率激光照射下表现出高光热响应，这归因于光容性而非法拉第机制。


尽管这些结果表明在三维石墨烯中光热现象占主导地位，但我们已确定了可能造成当前研究中观察到的法拉第响应的关键区别因素。用于光电流测量的皮秒激光脉冲的峰值功率在1.5至11瓦之间。这一激光功率值范围比之前关于NT-3DFG的研究中所报告的要高出几个数量级。此外，本研究中所用激光的光斑尺寸小于之前的研究（分别为2微米和20微米）。因此，在相同的入射激光功率下，当前测量中的平均功率密度大约高出100倍。这表明三维石墨烯中的激光激发热载流子发射可能遵循阈值机制，因而仅在高峰值功率密度下才会发生，这与在其他材料中先前观察到的情况一致。然而，通过超快脉冲激光刺激在三维场效应晶体管（3DFG）中产生热电子的确切机制仍需进一步探索。


02.3DFG微电极阵列-心肌细胞界面


由于高生物相容性对于实现与细胞的长期稳定界面至关重要，我们首先通过评估人胚胎干细胞来源的心肌细胞（hESC-CMs）的细胞活力来研究3DFG可能的毒性效应。活力和压力试验证实3DFG不会诱导细胞毒性。


随后，为了研究3DFG电极上细胞的生长和健康状况，将人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）培养在3DFG微电极阵列上，并进行了免疫组织化学荧光标记。在hiPSC-CMs上，结果表明心肌肌钙蛋白T（绿色）有大量表达，这突出了心肌结构，正如成熟hiPSC心肌细胞所预期的那样（图2A）。图像还显示NKX2-5（红色）的表达量极低，NKX2-5是心脏祖细胞的标志物，仅有15.38±3.47%的细胞表达NKX2-5。这证实了心脏细胞培养总体上已正确成熟。

图2.3DFG MEA-心肌细胞界面。（A）在3DFG-MEAs上培养7天的hiPSC-CMs的明场（I和III）和免疫荧光图像（II和IV）。比例尺，100微米（I和II）和50微米（III和IV）。（B）hiPSC-CMs在3DFG MEAs上的伪彩色扫描电子显微镜图像。比例尺，5微米。（C）HL-1细胞在3DFG上的横截面扫描电子显微镜图像。右侧图像显示细胞核为绿色，细胞质为蓝色，3DFG为红色。比例尺，2微米。


我们还通过横截面聚焦离子束扫描电子显微镜成像评估了3DFG与心肌细胞之间的界面。HL-1细胞和诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）在3DFG上培养24小时后进行固定和脱水。在3DFG电极上培养的诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）的顶视图/倾斜视图扫描电子显微镜图像和HL-1细胞的横截面扫描电子显微镜图像证实了细胞膜与3DFG之间紧密的黏附。