因此，我們通過(guò)測(cè)量磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中材料的熱載流子提取情況，評(píng)估了3DFG在激光激發(fā)下可能產(chǎn)生的光電流。

測(cè)量使用了連接到3DFG微電極的膜片鉗放大器（圖S3）。激發(fā)時(shí)，我們使用了波長(zhǎng)為1064納米的聚焦皮秒脈沖激光，因?yàn)檫@是通過(guò)光聲產(chǎn)生的納米沖擊波進(jìn)行細(xì)胞穿孔的最佳配置。在激發(fā)過(guò)程中，激光聚焦在3DFG表面，光斑直徑為2微米，對(duì)于所測(cè)激光平均入射功率（分別為1.3至7.6毫瓦），功率密度在414至2419瓦/平方毫米之間。圖1D展示了在不同激光強(qiáng)度下3DFG與PBS接觸面產(chǎn)生的光電流。6毫秒激光脈沖序列產(chǎn)生的電流行為表明存在電容電流和法拉第電流的組合，這與之前對(duì)硅基納米材料的觀察結(jié)果一致。

具體而言，我們觀察到在激光開(kāi)啟時(shí)有一個(gè)明顯的初始電流峰值，隨后在激光脈沖序列期間出現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電流平臺(tái)。在激光脈沖序列結(jié)束后，觀察到一個(gè)幅度較低的負(fù)電流峰值。圖1E展示了不同激光強(qiáng)度下的電容電流和法拉第電流。我們認(rèn)為法拉第電流可能與3DFG中熱載流子的發(fā)射有關(guān)，即那些處于熱平衡之外的高能電子被材料排出并注入電解質(zhì)。在基于石墨烯的3D納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱電子的現(xiàn)象此前已被證實(shí)。這些產(chǎn)生的熱載流子已被提出是通過(guò)類似于俄歇機(jī)制從石墨烯中被彈出。在先前的一項(xiàng)研究中，納米線模板化三維石墨烯（NT-3DFG）在低功率激光照射下表現(xiàn)出高光熱響應(yīng)，這歸因于光容性而非法拉第機(jī)制。

盡管這些結(jié)果表明在三維石墨烯中光熱現(xiàn)象占主導(dǎo)地位，但我們已確定了可能造成當(dāng)前研究中觀察到的法拉第響應(yīng)的關(guān)鍵區(qū)別因素。用于光電流測(cè)量的皮秒激光脈沖的峰值功率在1.5至11瓦之間。這一激光功率值范圍比之前關(guān)于NT-3DFG的研究中所報(bào)告的要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，本研究中所用激光的光斑尺寸小于之前的研究（分別為2微米和20微米）。因此，在相同的入射激光功率下，當(dāng)前測(cè)量中的平均功率密度大約高出100倍。這表明三維石墨烯中的激光激發(fā)熱載流子發(fā)射可能遵循閾值機(jī)制，因而僅在高峰值功率密度下才會(huì)發(fā)生，這與在其他材料中先前觀察到的情況一致。然而，通過(guò)超快脈沖激光刺激在三維場(chǎng)效應(yīng)晶體管（3DFG）中產(chǎn)生熱電子的確切機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

02.3DFG微電極陣列-心肌細(xì)胞界面

由于高生物相容性對(duì)于實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞的長(zhǎng)期穩(wěn)定界面至關(guān)重要，我們首先通過(guò)評(píng)估人胚胎干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞（hESC-CMs）的細(xì)胞活力來(lái)研究3DFG可能的毒性效應(yīng)。活力和壓力試驗(yàn)證實(shí)3DFG不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞毒性。

隨后，為了研究3DFG電極上細(xì)胞的生長(zhǎng)和健康狀況，將人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）培養(yǎng)在3DFG微電極陣列上，并進(jìn)行了免疫組織化學(xué)熒光標(biāo)記。在hiPSC-CMs上，結(jié)果表明心肌肌鈣蛋白T（綠色）有大量表達(dá)，這突出了心肌結(jié)構(gòu)，正如成熟hiPSC心肌細(xì)胞所預(yù)期的那樣（圖2A）。圖像還顯示NKX2-5（紅色）的表達(dá)量極低，NKX2-5是心臟祖細(xì)胞的標(biāo)志物，僅有15.38±3.47%的細(xì)胞表達(dá)NKX2-5。這證實(shí)了心臟細(xì)胞培養(yǎng)總體上已正確成熟。

圖2.3DFG MEA-心肌細(xì)胞界面。（A）在3DFG-MEAs上培養(yǎng)7天的hiPSC-CMs的明場(chǎng)（I和III）和免疫熒光圖像（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上的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，5微米。（C）HL-1細(xì)胞在3DFG上的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。右側(cè)圖像顯示細(xì)胞核為綠色，細(xì)胞質(zhì)為藍(lán)色，3DFG為紅色。比例尺，2微米。

我們還通過(guò)橫截面聚焦離子束掃描電子顯微鏡成像評(píng)估了3DFG與心肌細(xì)胞之間的界面。HL-1細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）在3DFG上培養(yǎng)24小時(shí)后進(jìn)行固定和脫水。在3DFG電極上培養(yǎng)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）的頂視圖/傾斜視圖掃描電子顯微鏡圖像和HL-1細(xì)胞的橫截面掃描電子顯微鏡圖像證實(shí)了細(xì)胞膜與3DFG之間緊密的黏附。