De wetenschappelijke gemeenschap is al lang gecharmeerd van het potentieel van zachte bio-elektronische apparaten, maar heeft hindernissen ondervonden bij het identificeren van materialen die biocompatibel zijn en alle noodzakelijke kenmerken hebben om effectief te kunnen werken. Onderzoekers hebben nu een stap in de goede richting gezet door een bestaand biocompatibel materiaal zo te modificeren dat het elektriciteit efficiënt geleidt in natte omgevingen en ionische signalen van biologische media kan verzenden en ontvangen.

Hun paper, "Electrostatic Self-Assembly Induces Efficient Mixed Transport and Water Stability in PEDOT:PSS for High Performance OECTs", is gepubliceerd in het tijdschrift Matter .

"We hebben het over een verbetering van de orde van grootte in het vermogen van zachte bio-elektronische materialen om efficiënt te functioneren in biologische omgevingen", zegt Aram Amassian, co-corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en -techniek. aan de North Carolina State University. "Dit is geen stapsgewijze voorschot."

Er is enorme belangstelling voor het creëren van organische bio-elektronica en organische elektrochemische transistors (OECT's), met een breed scala aan biomedische toepassingen. Eén beperkende factor is echter het identificeren van niet-giftige materialen die elektriciteit kunnen geleiden en een interactie kunnen aangaan met ionen. Dit is van cruciaal belang voor het functioneren in biologische omgevingen en voor een efficiënte werking in de waterige, op water gebaseerde omgevingen van biologische systemen.

Eén interessant materiaal is PEDOT:PSS, een niet-giftig polymeer dat elektriciteit kan geleiden. PEDOT:PSS wordt gebruikt om dunne films te creëren die in feite glasvezelnetwerken zijn die slechts nanometer breed zijn. Er kan elektrische stroom door de vezels lopen, die ook gevoelig zijn voor ionen in hun omgeving.

"Het idee is dat, omdat ionen interageren met de vezels - en hun geleidbaarheid beïnvloeden - PEDOT:PSS kan worden gebruikt om te detecteren wat er rond de vezels gebeurt", zegt Laine Taussig, co-eerste auteur van het artikel en recent gepromoveerd in het proefschrift. D. afgestudeerd aan NC State en nu werkzaam bij het Air Force Research-laboratorium.

"In wezen zou PEDOT:PSS in staat zijn zijn biologische omgeving te monitoren. Maar we zouden de elektrische stroom ook kunnen gebruiken om de ionen rond de PEDOT:PSS te beïnvloeden, en signalen naar die biologische omgeving te sturen", zegt Masoud Ghasemi, co-eerste auteur en een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij NC State, die nu postdoctoraal onderzoeker is bij Penn State.

De structurele stabiliteit van PEDOT:PSS neemt echter aanzienlijk af wanneer het in waterige omgevingen wordt geplaatst, zoals biologische systemen. Dat komt omdat PEDOT:PSS uit één materiaal bestaat, gemaakt uit twee componenten:PEDOT, dat elektriciteit geleidt en niet oplosbaar is in water; en PSS, dat reageert op ionen, maar in water oplosbaar is. Met andere woorden:de PSS zorgt ervoor dat het materiaal uit elkaar valt als het in contact komt met water.

Eerdere pogingen om de structuur van PEDOT:PSS te stabiliseren hebben het materiaal kunnen helpen bestand te zijn tegen waterige omgevingen, maar hebben zowel de prestaties van PEDOT:PSS als geleider geschaad als het moeilijker hebben gemaakt voor ionen om te interageren met de PSS-componenten van het materiaal.

"Ons werk hier is belangrijk, omdat we een nieuwe manier hebben gevonden om een ​​PEDOT:PSS te maken die structureel stabiel is in natte omgevingen en in staat is om zowel met ionen te interageren als elektriciteit zeer efficiënt te geleiden", zegt George Malliaras, co-corresponderende auteur. en Prins Philip hoogleraar technologie aan de Universiteit van Cambridge.

Concreet beginnen de onderzoekers met PEDOT:PSS in oplossing en voegen vervolgens ionische zouten toe. Na verloop van tijd gaan de ionische zouten een interactie aan met PEDOT:PSS, waardoor het zichzelf assembleert tot vezels met een unieke structuur die stabiel blijft in natte omgevingen. Dit gemodificeerde PEDOT:PSS wordt vervolgens gedroogd en de ionische zouten worden afgespoeld.

"We wisten al dat ionische zouten PEDOT:PSS konden beïnvloeden", zegt Amassian. "Wat hier nieuw is, is dat door de ionische zouten meer tijd te geven om de volledige omvang van die effecten te zien, we de kristallijne structuren van de PEDOT en de PSS hebben aangepast om zichzelf in essentie op moleculaire schaal aan elkaar te rijgen. Dit maakt de PSS ongevoelig voor de water in het milieu, waardoor PEDOT:PSS zijn structurele stabiliteit op moleculair niveau kan behouden."

"De verandering is ook hiërarchisch, wat betekent dat er verschuivingen plaatsvinden op moleculair niveau tot en met de macroschaal", zegt Yaroslava Yingling, co-auteur van het artikel en Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering bij NC State. "De ionische zouten zorgen ervoor dat de PEDOT:PSS zichzelf feitelijk reorganiseert in een fase die lijkt op een webachtige gel die zowel in droge als natte omgevingen bewaard blijft."

Naast dat ze stabiel zijn in waterige omgevingen, behouden de resulterende films hun geleidbaarheid. Omdat PEDOT en PSS nauw met elkaar verweven zijn, kunnen ionen bovendien gemakkelijk de PSS-component van het materiaal bereiken en er een interactie mee aangaan.

"Deze nieuwe fase van PEDOT:PSS werd gebruikt om OECT's te creëren door onze medewerkers in Cambridge", zegt Amassian. "En die OECT's zetten een nieuwe state-of-the-art standaard op het gebied van zowel volumetrische capaciteit als elektronische dragermobiliteit. Met andere woorden, het is de nieuwe gouden standaard voor zowel geleidbaarheid als ionenresponsiviteit in biovriendelijke elektronica."

"Gezien het feit dat PEDOT:PSS transparant, flexibel, rekbaar, geleidend en biocompatibel is, is het scala aan potentiële toepassingen opwindend, dat zich uitstrekt tot ver buiten de biomedische sector", zegt Enrique Gomez, co-corresponderend auteur en professor aan Penn State.

Het artikel is co-auteur van Albert Kwansa, een assistent-onderzoeksprofessor materiaalkunde en techniek bij NC State; Nathan Woodward, een Ph.D. student aan NC State; Sanggil Han en Scott Keene uit Cambridge; en Ruipeng Li van Brookhaven National Laboratory.

Meer informatie: Elektrostatische zelfassemblage zorgt voor efficiënt gemengd transport en waterstabiliteit in PEDOT:PSS voor hoogwaardige OECT's, Matter (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3

Journaalinformatie: Kwestie

Aangeboden door North Carolina State University