La communauté scientifique est depuis longtemps séduite par le potentiel des dispositifs bioélectroniques souples, mais elle est confrontée à des obstacles pour identifier des matériaux biocompatibles et possédant toutes les caractéristiques nécessaires pour fonctionner efficacement. Les chercheurs ont maintenant fait un pas dans la bonne direction, en modifiant un matériau biocompatible existant afin qu'il conduise efficacement l'électricité dans les environnements humides et puisse envoyer et recevoir des signaux ioniques provenant de milieux biologiques.

Leur article, "Electrostatic Self-Assembly Induces Efficient Mixed Transport and Water Stability in PEDOT:PSS for High Performance OECTs", est publié dans la revue Matter. .

"Nous parlons d'une amélioration d'un ordre de grandeur dans la capacité des matériaux bioélectroniques mous à fonctionner efficacement dans des environnements biologiques", déclare Aram Amassian, auteur co-correspondant d'un article sur les travaux et professeur de science et d'ingénierie des matériaux. à l'Université d'État de Caroline du Nord. "Il ne s'agit pas d'une avancée progressive."

Il existe un énorme intérêt pour la création de transistors bioélectroniques organiques et électrochimiques organiques (OECT), avec un large éventail d'applications biomédicales. Cependant, un facteur limitant est l'identification de matériaux non toxiques qui peuvent conduire l'électricité et interagir avec les ions, ce qui est essentiel au fonctionnement dans les environnements biologiques et au fonctionnement efficace dans les environnements aqueux à base d'eau des systèmes biologiques.

Un matériau intéressant est le PEDOT:PSS, un polymère non toxique capable de conduire l’électricité. PEDOT:PSS est utilisé pour créer des films minces qui sont en réalité des réseaux de fibres de seulement quelques nanomètres de large. Le courant électrique peut traverser les fibres, qui sont également sensibles aux ions de leur environnement.

"L'idée est que, parce que les ions interagissent avec les fibres et affectent leur conductivité, PEDOT:PSS peut être utilisé pour détecter ce qui se passe autour des fibres", explique Laine Taussig, co-premier auteur de l'article et récent doctorat. D. diplômé de NC State qui travaille maintenant au laboratoire de recherche de l'Air Force.

"Essentiellement, PEDOT:PSS serait capable de surveiller son environnement biologique. Mais nous pourrions également utiliser le courant électrique pour influencer les ions entourant le PEDOT:PSS, envoyant des signaux à cet environnement biologique", explique Masoud Ghasemi, co-premier auteur et un ancien boursier postdoctoral à NC State qui est maintenant boursier postdoctoral à Penn State.

Cependant, la stabilité structurelle du PEDOT:PSS diminue considérablement lorsqu'il est placé dans des environnements aqueux, comme les systèmes biologiques. En effet, le PEDOT:PSS est un matériau unique composé de deux composants :le PEDOT, qui conduit l'électricité et n'est pas soluble dans l'eau; et le PSS, qui répond aux ions, mais est soluble dans l'eau. En d'autres termes, le PSS fait que le matériau commence à se désagréger lorsqu'il entre en contact avec l'eau.

Les efforts antérieurs visant à stabiliser la structure du PEDOT:PSS ont permis au matériau de résister aux environnements aqueux, mais ont à la fois nui aux performances du PEDOT:PSS en tant que conducteur et rendu plus difficile l'interaction des ions avec les composants PSS du matériau.

"Notre travail ici est important, car nous avons trouvé une nouvelle façon de créer un PEDOT:PSS structurellement stable dans les environnements humides et capable à la fois d'interagir avec les ions et de conduire l'électricité de manière très efficace", explique George Malliaras, co-auteur correspondant. et professeur de technologie Prince Philip à l'Université de Cambridge.

Plus précisément, les chercheurs commencent avec PEDOT:PSS en solution, puis ajoutent des sels ioniques. Avec le temps, les sels ioniques interagissent avec le PEDOT:PSS, l'amenant à s'auto-assembler en fibres dont la structure unique reste stable dans les environnements humides. Ce PEDOT:PSS modifié est ensuite séché et les sels ioniques rincés.

"Nous savions déjà que les sels ioniques pouvaient affecter PEDOT:PSS", explique Amassian. "Ce qui est nouveau ici, c'est qu'en donnant aux sels ioniques plus de temps pour voir toute l'étendue de ces effets, nous avons modifié les structures cristallines du PEDOT et du PSS pour qu'elles s'entrelacent essentiellement à l'échelle moléculaire. Cela rend le PSS imperméable aux l'eau dans l'environnement, permettant au PEDOT:PSS de maintenir sa stabilité structurelle au niveau moléculaire."

"Le changement est également hiérarchique, ce qui signifie qu'il y a des changements au niveau moléculaire jusqu'à l'échelle macro", explique Yaroslava Yingling, co-auteur de l'article et professeur émérite de science et d'ingénierie des matériaux à Kobe Steel à NC State. "Les sels ioniques amènent le PEDOT:PSS à se réorganiser essentiellement en une phase qui ressemble à un gel en forme de toile qui est conservé dans des environnements secs et humides."

En plus d'être stables en milieu aqueux, les films obtenus conservent leur conductivité. De plus, comme le PEDOT et le PSS sont étroitement liés, il est facile pour les ions d'atteindre et d'interagir avec le composant PSS du matériau.

"Cette nouvelle phase de PEDOT:PSS a été utilisée pour créer des OECT par nos collaborateurs de Cambridge", explique Amassian. "Et ces OECT établissent une nouvelle norme de pointe en matière de capacité volumétrique et de mobilité des supports électroniques. En d'autres termes, il s'agit de la nouvelle référence en matière de conductivité et de réactivité ionique dans l'électronique bio-friendly."

"Étant donné que PEDOT:PSS est transparent, flexible, extensible, conducteur et biocompatible, la gamme d'applications potentielles est passionnante et s'étend bien au-delà du secteur biomédical", déclare Enrique Gomez, auteur co-correspondant et professeur à Penn State.

L'article a été co-écrit par Albert Kwansa, professeur-chercheur adjoint en science et ingénierie des matériaux à NC State ; Nathan Woodward, titulaire d'un doctorat. étudiant à NC State; Sanggil Han et Scott Keene de Cambridge ; et Ruipeng Li du Laboratoire national de Brookhaven.

Plus d'informations : L'auto-assemblage électrostatique induit un transport mixte efficace et une stabilité de l'eau dans PEDOT:PSS pour les OECT hautes performances, Matter (2024). DOI :10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3

Informations sur le journal : Matière

Fourni par l'Université d'État de Caroline du Nord