La comunità scientifica è da tempo innamorata del potenziale dei dispositivi bioelettronici morbidi, ma ha dovuto affrontare ostacoli nell’identificare materiali biocompatibili e dotati di tutte le caratteristiche necessarie per funzionare in modo efficace. I ricercatori hanno ora fatto un passo nella giusta direzione, modificando un materiale biocompatibile esistente in modo che conduca l'elettricità in modo efficiente in ambienti umidi e possa inviare e ricevere segnali ionici da mezzi biologici.
Il loro articolo, "Electrostatic Self-Assembly Induces Efficient Mixed Transport and Water Stability in PEDOT:PSS for High Performance OECTs", è pubblicato sulla rivista Matter .
"Stiamo parlando di un miglioramento di un ordine di grandezza nella capacità dei materiali bioelettronici morbidi di funzionare in modo efficiente in ambienti biologici", afferma Aram Amassian, co-autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore di scienza e ingegneria dei materiali. presso l'Università statale della Carolina del Nord. "Questo non è un progresso incrementale."
C’è un enorme interesse nella creazione di bioelettronica organica e transistor elettrochimici organici (OECT), con un’ampia gamma di applicazioni biomediche. Tuttavia, un fattore limitante è l'identificazione di materiali non tossici che possano condurre elettricità, interagendo con gli ioni, il che è fondamentale per il funzionamento negli ambienti biologici e per funzionare in modo efficiente negli ambienti acquosi dei sistemi biologici.
Un materiale di interesse è stato PEDOT:PSS, che è un polimero non tossico in grado di condurre elettricità. PEDOT:PSS viene utilizzato per creare film sottili che sono effettivamente reti di fibre larghe solo nanometri. La corrente elettrica può scorrere attraverso le fibre, che sono anche sensibili agli ioni nel loro ambiente.
"L'idea è che, poiché gli ioni interagiscono con le fibre e influenzano la loro conduttività, PEDOT:PSS può essere utilizzato per rilevare ciò che accade intorno alle fibre", afferma Laine Taussig, co-primo autore dell'articolo e recente Ph. D. laureato alla NC State che ora lavora presso il laboratorio di ricerca dell'aeronautica militare.
"Essenzialmente, PEDOT:PSS sarebbe in grado di monitorare il suo ambiente biologico. Ma potremmo anche usare la corrente elettrica per influenzare gli ioni che circondano PEDOT:PSS, inviando segnali a quell'ambiente biologico", afferma Masoud Ghasemi, co-primo autore e un ex ricercatore post-dottorato presso la NC State che ora è ricercatore post-dottorato presso la Penn State.
Tuttavia, la stabilità strutturale di PEDOT:PSS diminuisce in modo significativo se collocato in ambienti acquosi, come i sistemi biologici. Questo perché PEDOT:PSS è un unico materiale formato da due componenti:il PEDOT, che conduce elettricità e non è solubile in acqua; e PSS, che risponde agli ioni, ma è solubile in acqua. In altre parole, il PSS fa sì che il materiale inizi a sfaldarsi quando entra in contatto con l'acqua.
I precedenti sforzi per stabilizzare la struttura di PEDOT:PSS sono stati in grado di aiutare il materiale a resistere agli ambienti acquosi, ma hanno danneggiato le prestazioni di PEDOT:PSS come conduttore e hanno reso più difficile per gli ioni interagire con i componenti PSS del materiale.
"Il nostro lavoro qui è importante, perché abbiamo trovato un nuovo modo per realizzare un PEDOT:PSS che sia strutturalmente stabile in ambienti umidi e in grado sia di interagire con gli ioni che di condurre l'elettricità in modo molto efficiente", afferma George Malliaras, autore co-corrispondente. e il Principe Filippo Professore di Tecnologia all'Università di Cambridge.
Nello specifico, i ricercatori iniziano con PEDOT:PSS in soluzione e poi aggiungono sali ionici. Col tempo, i sali ionici interagiscono con PEDOT:PSS, facendolo autoassemblare in fibre con una struttura unica che rimane stabile in ambienti umidi. Questo PEDOT:PSS modificato viene quindi essiccato e i sali ionici risciacquati.
"Sapevamo già che i sali ionici potevano influenzare PEDOT:PSS", afferma Amassian. "La novità qui è che, dando ai sali ionici più tempo per vedere l'intera portata di tali effetti, abbiamo modificato le strutture cristalline del PEDOT e del PSS per legarsi essenzialmente insieme su scala molecolare. Ciò rende il PSS impermeabile ai acqua nell'ambiente, consentendo al PEDOT:PSS di mantenere la sua stabilità strutturale a livello molecolare."
"Il cambiamento è anche gerarchico, il che significa che ci sono cambiamenti a livello molecolare fino alla macroscala", afferma Yaroslava Yingling, coautrice dell'articolo e illustre professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State di Kobe Steel. "I sali ionici fanno sì che PEDOT:PSS si riorganizzi essenzialmente in una fase che assomiglia a un gel simile a una rete che viene conservato sia in ambienti asciutti che umidi."
Oltre ad essere stabili in ambienti acquosi, i film risultanti mantengono la loro conduttività. Inoltre, poiché PEDOT e PSS sono strettamente intrecciati, è facile per gli ioni raggiungere e interagire con il componente PSS del materiale.
"Questa nuova fase di PEDOT:PSS è stata utilizzata per creare OECT dai nostri collaboratori a Cambridge", afferma Amassian. "E questi OECT stabiliscono un nuovo standard all'avanguardia sia nella capacità volumetrica che nella mobilità dei portanti elettronici. In altre parole, è il nuovo standard di riferimento sia per la conduttività che per la reattività ionica nell'elettronica bio-friendly."
"Dato che PEDOT:PSS è trasparente, flessibile, estensibile, conduttivo e biocompatibile, la gamma di potenziali applicazioni è entusiasmante e si estende ben oltre il settore biomedico", afferma Enrique Gomez, co-autore corrispondente e professore alla Penn State.
L'articolo è stato scritto da Albert Kwansa, un assistente professore di ricerca di scienza e ingegneria dei materiali presso NC State; Nathan Woodward, un dottorato di ricerca. studente presso NC State; Sanggil Han e Scott Keene di Cambridge; e Ruipeng Li del Laboratorio nazionale di Brookhaven.
Ulteriori informazioni: L'autoassemblaggio elettrostatico induce un trasporto misto efficiente e stabilità dell'acqua in PEDOT:PSS per OECT ad alte prestazioni, Materia (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3
Informazioni sul giornale: Materia
Fornito dalla North Carolina State University
