A comunidade científica há muito está apaixonada pelo potencial dos dispositivos bioeletrônicos leves, mas tem enfrentado obstáculos na identificação de materiais que sejam biocompatíveis e tenham todas as características necessárias para operar de forma eficaz. Os investigadores deram agora um passo na direção certa, modificando um material biocompatível existente para que conduza eletricidade de forma eficiente em ambientes húmidos e possa enviar e receber sinais iónicos de meios biológicos.



O artigo deles, "A automontagem eletrostática induz transporte misto eficiente e estabilidade da água em PEDOT:PSS para OECTs de alto desempenho", foi publicado na revista Matter .

"Estamos falando de uma melhoria de ordem de grandeza na capacidade dos materiais bioeletrônicos moles de funcionarem eficientemente em ambientes biológicos", diz Aram Amassian, co-autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais. na Universidade Estadual da Carolina do Norte. "Este não é um avanço incremental."

Há um enorme interesse na criação de bioeletrônica orgânica e transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs), com uma ampla gama de aplicações biomédicas. No entanto, um factor limitante é a identificação de materiais não tóxicos que possam conduzir electricidade, interagindo com iões – o que é fundamental para o funcionamento em ambientes biológicos e para operar eficientemente nos ambientes aquosos e à base de água dos sistemas biológicos.

Um material de interesse foi o PEDOT:PSS, que é um polímero atóxico capaz de conduzir eletricidade. PEDOT:PSS é usado para criar filmes finos que são efetivamente redes de fibra com apenas nanômetros de largura. A corrente elétrica pode passar pelas fibras, que também são sensíveis aos íons em seu ambiente.

"A ideia é que, como os íons interagem com as fibras - e afetam sua condutividade - o PEDOT:PSS pode ser usado para detectar o que está acontecendo ao redor das fibras", diz Laine Taussig, coautor do artigo e recente Ph. D. graduado pela NC State que agora trabalha no laboratório de pesquisa da Força Aérea.

"Essencialmente, o PEDOT:PSS seria capaz de monitorar seu ambiente biológico. Mas também poderíamos usar a corrente elétrica para influenciar os íons que cercam o PEDOT:PSS, enviando sinais para esse ambiente biológico", diz Masoud Ghasemi, co-primeiro autor e um ex-bolsista de pós-doutorado na NC State que agora é pós-doutorado na Penn State.

No entanto, a estabilidade estrutural do PEDOT:PSS diminui significativamente quando colocado em ambientes aquosos – como sistemas biológicos. Isso porque o PEDOT:PSS é um material único feito de dois componentes:o PEDOT, que conduz eletricidade e não é solúvel em água; e PSS, que responde a íons, mas é solúvel em água. Ou seja, o PSS faz com que o material comece a se desfazer ao entrar em contato com a água.

Esforços anteriores para estabilizar a estrutura do PEDOT:PSS conseguiram ajudar o material a resistir a ambientes aquosos, mas prejudicaram o desempenho do PEDOT:PSS como condutor e dificultaram a interação dos íons com os componentes PSS do material.

“Nosso trabalho aqui é importante porque encontramos uma nova maneira de fazer um PEDOT:PSS que é estruturalmente estável em ambientes úmidos e capaz de interagir com íons e conduzir eletricidade de forma muito eficiente”, diz George Malliaras, co-autor correspondente. e Príncipe Philip Professor de Tecnologia na Universidade de Cambridge.

Especificamente, os pesquisadores começam com PEDOT:PSS em solução e depois adicionam sais iônicos. Com o tempo, os sais iônicos interagem com o PEDOT:PSS, fazendo com que ele se auto-organize em fibras com uma estrutura única que permanece estável em ambientes úmidos. Este PEDOT:PSS modificado é então seco e os sais iônicos enxaguados.

“Já sabíamos que os sais iônicos poderiam afetar o PEDOT:PSS”, diz Amassian. "O que há de novo aqui é que, ao dar aos sais iônicos mais tempo para ver toda a extensão desses efeitos, modificamos as estruturas cristalinas do PEDOT e do PSS para essencialmente se unirem na escala molecular. Isso torna o PSS impermeável ao água no meio ambiente, permitindo que o PEDOT:PSS mantenha sua estabilidade estrutural em nível molecular."

"A mudança também é hierárquica, o que significa que há mudanças no nível molecular até a macroescala", diz Yaroslava Yingling, co-autora do artigo e ilustre professora de ciência e engenharia de materiais da Kobe Steel na NC State. "Os sais iônicos fazem com que o PEDOT:PSS se reorganize essencialmente em uma fase que se assemelha a um gel semelhante a uma teia que é preservado tanto em ambientes secos quanto úmidos."

Além de serem estáveis ​​em ambientes aquosos, os filmes resultantes mantêm a sua condutividade. Além do mais, como o PEDOT e o PSS estão fortemente entrelaçados, é fácil para os íons alcançarem e interagirem com o componente PSS do material.

“Esta nova fase do PEDOT:PSS foi usada para criar OECTs pelos nossos colaboradores em Cambridge”, diz Amassian. "E esses OECTs estabelecem um novo padrão de última geração tanto em capacitância volumétrica quanto em mobilidade de portadores eletrônicos. Em outras palavras, é o novo padrão ouro em condutividade e capacidade de resposta a íons em eletrônica biologicamente correta."

"Dado que o PEDOT:PSS é transparente, flexível, extensível, condutor e biocompatível, a gama de aplicações potenciais é estimulante - estendendo-se muito além do setor biomédico", diz Enrique Gomez, coautor correspondente e professor da Penn State.

O artigo foi coautor de Albert Kwansa, professor assistente de pesquisa de ciência e engenharia de materiais na NC State; Nathan Woodward, Ph.D. estudante da NC State; Sanggil Han e Scott Keene de Cambridge; e Ruipeng Li do Laboratório Nacional de Brookhaven.

Mais informações: Automontagem eletrostática induz transporte misto eficiente e estabilidade da água em PEDOT:PSS para OECTs de alto desempenho, Matéria (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3
Informações do diário: Matéria

Fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte