Modificeret blødt materiale lover bedre bioelektronik

Det videnskabelige samfund har længe været betaget af potentialet for bløde bioelektroniske enheder, men har stået over for forhindringer med at identificere materialer, der er biokompatible og har alle de nødvendige egenskaber for at fungere effektivt. Forskere har nu taget et skridt i den rigtige retning ved at modificere et eksisterende biokompatibelt materiale, så det leder elektricitet effektivt i våde miljøer og kan sende og modtage ioniske signaler fra biologiske medier.

Deres papir, "Electrostatic Self-Assembly Induces Efficient Mixed Transport and Water Stability in PEDOT:PSS for High Performance OECTs," er offentliggjort i tidsskriftet Matter .

"Vi taler om en forbedring i størrelsesordenen i bløde bioelektroniske materialers evne til at fungere effektivt i biologiske miljøer," siger Aram Amassian, der er medtilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og professor i materialevidenskab og teknik. ved North Carolina State University. "Dette er ikke et trinvist fremskridt."

Der er en enorm interesse for at skabe organisk bioelektronik og organiske elektrokemiske transistorer (OECT'er) med en bred vifte af biomedicinske anvendelser. En begrænsende faktor er imidlertid at identificere ikke-toksiske materialer, der kan lede elektricitet, interagere med ioner - hvilket er afgørende for at fungere i biologiske miljøer og fungere effektivt i de vandige, vandbaserede miljøer i biologiske systemer.

Et materiale af interesse har været PEDOT:PSS, som er en ugiftig polymer, der er i stand til at lede elektricitet. PEDOT:PSS bruges til at skabe tynde film, som effektivt er fibernetværk, der kun er nanometer brede. Elektrisk strøm kan løbe gennem fibrene, som også er følsomme over for ioner i deres omgivelser.

"Ideen er, at fordi ioner interagerer med fibrene - og påvirker deres ledningsevne - kan PEDOT:PSS bruges til at fornemme, hvad der sker omkring fibrene," siger Laine Taussig, medførsteforfatter af papiret og en nylig ph. D. kandidat fra NC State, som nu arbejder på Air Force Research laboratorium.

"I bund og grund ville PEDOT:PSS være i stand til at overvåge dets biologiske miljø. Men vi kunne også bruge den elektriske strøm til at påvirke ionerne omkring PEDOT:PSS og sende signaler til det biologiske miljø," siger Masoud Ghasemi, medforfatter og en tidligere postdoc ved NC State, som nu er postdoc ved Penn State.

Imidlertid falder PEDOT:PSS's strukturelle stabilitet betydeligt, når den placeres i vandige miljøer - som biologiske systemer. Det er fordi PEDOT:PSS er et enkelt materiale lavet af to komponenter:PEDOT, som leder elektricitet og ikke er opløseligt i vand; og PSS, som reagerer på ioner, men er vandopløseligt. Med andre ord får PSS materialet til at falde fra hinanden, når det kommer i kontakt med vand.

Tidligere bestræbelser på at stabilisere strukturen af ​​PEDOT:PSS har været i stand til at hjælpe materialet med at modstå vandige miljøer, men har både skadet PEDOT:PSS's ydeevne som leder og gjort det sværere for ioner at interagere med materialets PSS-komponenter.

"Vores arbejde her er vigtigt, fordi vi har fundet en ny måde at lave en PEDOT:PSS på, der er strukturelt stabil i våde miljøer og i stand til både at interagere med ioner og lede elektricitet meget effektivt," siger George Malliaras, medkorrespondent forfatter. og Prins Philip professor i teknologi ved Cambridge University.

Konkret starter forskerne med PEDOT:PSS i opløsning og tilføjer derefter ioniske salte. Givet tid interagerer de ioniske salte med PEDOT:PSS, hvilket får den til at samle sig selv til fibre med en unik struktur, der forbliver stabil i våde omgivelser. Denne modificerede PEDOT:PSS tørres derefter, og de ioniske salte skylles af.

"Vi vidste allerede, at ioniske salte kunne påvirke PEDOT:PSS," siger Amassian. "Hvad der er nyt her, er, at ved at give de ioniske salte mere tid til at se det fulde omfang af disse effekter, modificerede vi de krystallinske strukturer af PEDOT og PSS til i det væsentlige at snøre sig sammen på molekylær skala. Dette gør PSS uigennemtrængelig for vand i miljøet, hvilket tillader PEDOT:PSS at bevare sin strukturelle stabilitet på molekylært niveau."

"Ændringen er også hierarkisk, hvilket betyder, at der er skift på molekylært niveau helt op til makroskala," siger Yaroslava Yingling, medforfatter af papiret og Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering ved NC State. "De ioniske salte får PEDOT:PSS til i det væsentlige at omorganisere sig selv til en fase, der ligner en web-lignende gel, der bevares i både tørre og våde omgivelser."

Ud over at være stabile i vandige miljøer bevarer de resulterende film deres ledningsevne. Hvad mere er, fordi PEDOT og PSS er tæt sammenvævede, er det nemt for ioner at nå og interagere med PSS-komponenten i materialet.

"Denne nye fase af PEDOT:PSS blev brugt til at skabe OECT'er af vores samarbejdspartnere i Cambridge," siger Amassian. "Og disse OECT'er sætter en ny state-of-the-art standard inden for både volumetrisk kapacitans og elektronisk bærermobilitet. Med andre ord er det den nye guldstandard inden for både ledningsevne og ionrespons i biovenlig elektronik."

"I betragtning af at PEDOT:PSS er gennemsigtigt, fleksibelt, strækbart, ledende og biokompatibelt, er rækken af ​​potentielle anvendelser spændende - strækker sig langt ud over den biomedicinske sektor," siger Enrique Gomez, medkorresponderende forfatter og professor ved Penn State.

Papiret var medforfatter af Albert Kwansa, en assisterende forskningsprofessor i materialevidenskab og teknik ved NC State; Nathan Woodward, en ph.d. studerende ved NC State; Sanggil Han og Scott Keene fra Cambridge; og Ruipeng Li fra Brookhaven National Laboratory.

Flere oplysninger: Elektrostatisk selvsamling inducerer effektiv blandet transport og vandstabilitet i PEDOT:PSS til højtydende OECT'er, Matter (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3

Journaloplysninger: Sagen

Leveret af North Carolina State University