Det vetenskapliga samfundet har länge varit förtjust i potentialen för mjuka bioelektroniska enheter, men har mött hinder för att identifiera material som är biokompatibla och har alla nödvändiga egenskaper för att fungera effektivt. Forskare har nu tagit ett steg i rätt riktning och modifierat ett befintligt biokompatibelt material så att det leder elektricitet effektivt i våta miljöer och kan skicka och ta emot joniska signaler från biologiska medier.
Deras artikel, "Electrostatic Self-Assembly induces Efficient Mixed Transport and Water Stability in PEDOT:PSS for High Performance OECTs," publiceras i tidskriften Matter .
"Vi pratar om en förbättring i storleksordningen av mjuka bioelektroniska materials förmåga att fungera effektivt i biologiska miljöer", säger Aram Amassian, medförfattare till en artikel om arbetet och professor i materialvetenskap och teknik. vid North Carolina State University. "Detta är inte ett stegvis framsteg."
Det finns ett enormt intresse för att skapa organisk bioelektronik och organiska elektrokemiska transistorer (OECTs), med ett brett utbud av biomedicinska tillämpningar. En begränsande faktor är dock att identifiera icke-toxiska material som kan leda elektricitet, interagera med joner – vilket är avgörande för att fungera i biologiska miljöer och fungera effektivt i de vattenhaltiga, vattenbaserade miljöerna i biologiska system.
Ett material av intresse har varit PEDOT:PSS, som är en giftfri polymer som kan leda elektricitet. PEDOT:PSS används för att skapa tunna filmer som effektivt är fibernätverk som bara är nanometer breda. Elektrisk ström kan gå genom fibrerna, som också är känsliga för joner i sin omgivning.
"Tanken är att eftersom joner interagerar med fibrerna - och påverkar deras ledningsförmåga - kan PEDOT:PSS användas för att känna av vad som händer runt fibrerna", säger Laine Taussig, medförfattare till tidningen och en nyligen doktorand. D. examen från NC State som nu arbetar på Air Force Research Laboratory.
"I huvudsak skulle PEDOT:PSS kunna övervaka dess biologiska miljö. Men vi skulle också kunna använda den elektriska strömmen för att påverka jonerna som omger PEDOT:PSS och skicka signaler till den biologiska miljön", säger Masoud Ghasemi, medförfattare och en före detta postdoktor vid NC State som nu är postdoktor vid Penn State.
Men PEDOT:PSS:s strukturella stabilitet minskar avsevärt när den placeras i vattenhaltiga miljöer - som biologiska system. Det beror på att PEDOT:PSS är ett enda material tillverkat av två komponenter:PEDOT, som leder elektricitet och inte är lösligt i vatten; och PSS, som svarar på joner, men är vattenlösligt. PSS gör med andra ord att materialet börjar falla isär när det kommer i kontakt med vatten.
Tidigare ansträngningar för att stabilisera strukturen hos PEDOT:PSS har kunnat hjälpa materialet att motstå vattenhaltiga miljöer, men har både skadat PEDOT:PSS:s prestanda som ledare och gjort det svårare för joner att interagera med materialets PSS-komponenter.
"Vårt arbete här är viktigt, eftersom vi har hittat ett nytt sätt att göra en PEDOT:PSS som är strukturellt stabil i våta miljöer och kan både interagera med joner och leda elektricitet mycket effektivt", säger George Malliaras, medförfattare. och prins Philip professor i teknologi vid Cambridge University.
Specifikt börjar forskarna med PEDOT:PSS i lösning och lägger sedan till joniska salter. Givet tid interagerar joniska salter med PEDOT:PSS, vilket gör att den självmonteras till fibrer med en unik struktur som förblir stabil i våta miljöer. Denna modifierade PEDOT:PSS torkas sedan och joniska salter sköljs av.
"Vi visste redan att joniska salter kunde påverka PEDOT:PSS," säger Amassian. "Vad som är nytt här är att genom att ge joniska salter mer tid att se den fulla omfattningen av dessa effekter, modifierade vi de kristallina strukturerna hos PEDOT och PSS för att i huvudsak knyta ihop sig i molekylär skala. Detta gör PSS ogenomtränglig för vatten i miljön, vilket gör att PEDOT:PSS kan behålla sin strukturella stabilitet på molekylär nivå."
"Förändringen är också hierarkisk, vilket innebär att det finns förändringar på molekylär nivå hela vägen upp till makroskala", säger Yaroslava Yingling, medförfattare till uppsatsen och Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering vid NC State. "De joniska salterna får PEDOT:PSS att i huvudsak omorganisera sig själv till en fas som liknar en vävliknande gel som bevaras i både torra och våta miljöer."
Förutom att vara stabila i vattenhaltiga miljöer behåller de resulterande filmerna sin konduktivitet. Dessutom, eftersom PEDOT och PSS är tätt sammanvävda, är det lätt för joner att nå och interagera med PSS-komponenten i materialet.
"Denna nya fas av PEDOT:PSS användes för att skapa OECTs av våra medarbetare på Cambridge," säger Amassian. "Och dessa OECTs sätter en ny toppmodern standard för både volymetrisk kapacitans och mobilitet för elektroniska bärare. Med andra ord, det är den nya guldstandarden för både konduktivitet och jonkänslighet i biovänlig elektronik."
"Med tanke på att PEDOT:PSS är transparent, flexibel, töjbar, ledande och biokompatibel, är utbudet av potentiella applikationer spännande – sträcker sig långt utanför den biomedicinska sektorn", säger Enrique Gomez, medförfattare och professor vid Penn State.
Uppsatsen var medförfattare av Albert Kwansa, en biträdande forskningsprofessor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid NC State; Nathan Woodward, en Ph.D. student vid NC State; Sanggil Han och Scott Keene från Cambridge; och Ruipeng Li från Brookhaven National Laboratory.
Mer information: Elektrostatisk självmontering inducerar effektiv blandad transport- och vattenstabilitet i PEDOT:PSS för högpresterande OECTs, Matter (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3
Journalinformation: Ärge
Tillhandahålls av North Carolina State University
