Vil cyborgs blive lavet af melanin? Pigmentgennembrud muliggør biokompatibel elektronik

Det mørkebrune melaninpigment, eumelanin, farver hår og øjne, og beskytter vores hud mod solskader. Det har også længe været kendt for at lede elektricitet, men for lidt til nogen brugbar applikation - indtil nu.

I en skelsættende undersøgelse offentliggjort i Grænser i kemi , Italienske forskere ændrede subtilt strukturen af ​​eumelanin ved at opvarme det i et vakuum.

"Vores proces producerede en milliard gange stigning i den elektriske ledningsevne af eumelanin, " siger seniorforfattere af undersøgelsen Dr. Alessandro Pezzella fra University of Napoli Federico II og Dr. Paolo Tassini fra det italienske nationale agentur for nye teknologier, Energi og bæredygtig økonomisk udvikling. "Dette muliggør det længe ventede design af melanin-baseret elektronik, som kan bruges til implanterede enheder på grund af pigmentets biokompatibilitet."

Eumelanin er en biokompatibel leder

En ung Pezzella var ikke engang begyndt i skole, da videnskabsmænd først opdagede, at en type melanin kan lede elektricitet. Spændingen steg hurtigt omkring opdagelsen, fordi eumelanin - det mørkebrune pigment, der findes i hår, hud og øjne - er fuldstændig biokompatibel.

"Melaniner forekommer naturligt i stort set alle former for liv. De er ikke-toksiske og fremkalder ikke en immunreaktion, " forklarer Pezzella. "Ude i miljøet, de er også fuldstændig biologisk nedbrydelige."

Årtier senere, og på trods af omfattende forskning i strukturen af ​​melanin, ingen har formået at udnytte dets potentiale inden for implanterbar elektronik.

"Til dato, ledningsevnen af ​​syntetisk såvel som naturlig eumelanin har været alt for lav til værdifulde anvendelser, " tilføjer han.

Nogle forskere forsøgte at øge ledningsevnen af ​​eumelanin ved at kombinere det med metaller, eller overophedning af det til et grafenlignende materiale - men det, de stod tilbage med, var ikke virkelig det lovede biokompatible ledende materiale.

Fast besluttet på at finde den rigtige vare, den napolitanske gruppe overvejede strukturen af ​​eumelanin.

"Alle de kemiske og fysiske analyser af eumelanin tegner det samme billede - af elektron-delte molekylære ark, stablet rodet sammen. Svaret virkede indlysende:ryd stakkene op og juster arkene, så de alle kan dele elektroner - så vil elektriciteten flyde."

Varmebehandling glatter hårpigmentet ud

denne proces, kaldet udglødning, bruges allerede til at øge elektrisk ledningsevne og andre egenskaber i materialer som metaller.

For første gang, forskerne satte film af syntetisk eumelanin gennem en udglødningsproces under højvakuum for at gøre dem pæne - lidt ligesom hårglatning, men kun med pigmentet.

"Vi opvarmede disse eumelaninfilm - ikke tykkere end en bakterie - under vakuumforhold, fra 30 min op til 6 timer, " beskriver Tassini. "Vi kalder det resulterende materiale High Vacuum Annealed Eumelanin, HVAE."

Udglødningen gjorde underværker for eumelanin:filmene slankede med mere end halvdelen, og blev ret solbrun.

"HVAE-filmene var nu mørkebrune og omtrent lige så tykke som en virus, " rapporterer Tassini.

Afgørende, filmene var ikke bare blevet brændt til sprøde.

"Alle vores forskellige analyser er enige om, at disse ændringer afspejler reorganisering af eumelanin-molekyler fra en tilfældig orientering til en ensartet, elektrondelingsstak. Udglødningstemperaturerne var for lave til at bryde eumelaninen op, og vi opdagede ingen forbrænding til elementært kulstof."

En milliard gange stigning i ledningsevne

Efter at have opnået de tilsigtede strukturelle ændringer af eumelanin, forskerne beviste deres hypotese på spektakulær vis.

"Filmenes ledningsevne steg milliard gange til en hidtil uset værdi på over 300 S/cm, efter udglødning ved 600°C i 2 timer, " bekræfter Pezzella.

Selvom det er langt fra de fleste metalledere - kobber har en ledningsevne på omkring 6 x 107 S/cm - lancerer denne opdagelse eumelanin et godt stykke ind i et nyttigt område for bioelektronik.

Hvad mere er, ledningsevnen af ​​HVAE kunne indstilles i henhold til udglødningsbetingelserne.

"Filmenes ledningsevne steg med stigende temperatur, fra 1000 gange ved 200°C. Dette åbner muligheden for at skræddersy eumelanin til en bred vifte af applikationer inden for organisk elektronik og bioelektronik. Det støtter også kraftigt konklusionen fra strukturel analyse om, at udglødning reorganiserede filmene, i stedet for at brænde dem."

Der er én potentiel dæmper:Nedsænkning af filmene i vand resulterer i et markant fald i ledningsevnen.

"Dette står i kontrast til ubehandlet eumelanin, som, om end i et meget lavere område, bliver mere ledende med hydrering (fugtighed), fordi den leder elektricitet via ioner såvel som elektroner. Yderligere forskning er nødvendig for fuldt ud at forstå de ioniske kontra elektroniske bidrag i eumelanins ledningsevne, hvilket kunne være nøglen til, hvordan eumelanin praktisk taget bruges i implanterbar elektronik." afslutter Pezzella.