Недавние достижения в области материаловедения открыли новые возможности для создания биоэлектроники — устройств, предназначенных для ношения или имплантации в тело человека. Биоэлектроника может помочь отслеживать или поддерживать функции органов, тканей и клеток, что может способствовать профилактике и лечению различных заболеваний.
Перспективным материалом для изготовления биоэлектроники является PEDOT:PSS, полимер, известный своей высокой электропроводностью, гибкостью и совместимостью с биологическими тканями.
Несмотря на свои выгодные свойства, PEDOT:PSS, как известно, постепенно растворяется в биологических жидкостях, ограничение, которое до сих пор было преодолено с помощью химических соединений и процессов.
Исследователи из Стэнфордского университета, Кембриджского университета и Университета Райса недавно обнаружили более простую и потенциально более безопасную стратегию стабилизации этого биосовместимого полимера с использованием тепла.
Предложенная ими термическая обработка, описанная в журнале Advanced Materials , как было обнаружено, делает пленки PEDOT:PSS стабильными в воде без необходимости каких-либо химических добавок.
«Эта работа началась со счастливого открытия, сделанного в ходе моего предыдущего исследования , когда я использовал чувствительный полимер PEDOT:PSS для создания фотонных устройств, изменяющих форму», — рассказал Сиддхарт Доши, один из первых авторов статьи, изданию Tech Xplore.
«Я заметил, что пленки PEDOT:PSS, которые я случайно запекал при более высоких, чем обычно, температурах, не растворялись в воде.
Это было огромным сюрпризом, поскольку PEDOT:PSS — широко изученный проводящий полимер, и чтобы обойти тот факт, что он расслаивается в воде, в сотнях статей по биоэлектронике для стабилизации своих устройств используются химические сшивающие агенты».
Сделав это удивительное наблюдение в рамках своего более раннего исследования, Доши и его коллеги приступили к изучению возможности того, что нагревание пленок PEDOT:PSS также может стабилизировать их в жидкостях.
Кроме того, они хотели определить, что именно происходит, когда пленки нагреваются выше определенных температур, как этот процесс нагревания влияет на их свойства и может ли основанный на нагреве подход заменить существующие химические процессы стабилизации.
«Главное преимущество нашего подхода — его простота: можно просто нагреть пленки коммерческого немодифицированного PEDOT:PSS на плите при температуре от 150°C до 200°C в течение 2 минут, и он больше не растворится в воде», — пояснил Доши.
«Он работает на разных подложках, включая растягивающиеся пластики и даже разные ткани, и позволяет избежать многих осложнений, связанных с химическими сшивателями, которые влияют на проводимость и надежность пленок».
Разработанная исследователями термическая обработка также может обеспечить прямое формирование рисунка PEDOT:PSS, просто прикладывая тепло к определенным участкам на пленках и тем самым устраняя необходимость в сложных методах литографии.
В рамках своего исследования Доши и его коллеги также продемонстрировали 3D-печать PEDOT:PSS в микромасштабе с использованием сфокусированного фемтосекундного лазерного луча.
«PEDOT:PSS сильно поглощает на длине волны лазера ближнего инфракрасного диапазона, которую мы использовали, что вызывает локальный нагрев», — сказал Доши.
«Благодаря послойному сканированию сфокусированного лазерного пятна мы смогли локально стабилизировать 3D-рисунки внутри пленки, которые остаются даже после того, как неэкспонированные части пленки смываются водой.
В качестве приятного дополнительного преимущества это дает нам экологически чистый способ нанесения рисунка на этот материал, используя для обработки только воду вместо других токсичных растворителей».
Первоначальные тесты, проведенные исследователями, дали весьма многообещающие результаты.
В конечном итоге было обнаружено, что их подход на основе нагрева сделал пленки PEDOT:PSS стабильными в воде, а также улучшил их характеристики.
«Термообработанные биоэлектронные устройства, такие как транзисторы, стимуляторы спинного мозга и электрокортикографические (ЭКоГ) матрицы, было проще изготавливать, они были более надежными и столь же высокопроизводительными.
И они доказали свою надежность в хронических экспериментах in vivo, сохраняя стабильность в течение более 20 дней после имплантации», — сказала Марго Форнер, аспирант Кембриджского университета и соавтор статьи.
«Примечательно, что пленка сохранила превосходные электрические характеристики при растяжении, что подчеркивает ее потенциал для создания устойчивых биоэлектронных устройств как внутри, так и снаружи тела».
«Наша характеристика предполагает, что термообработка приводит к разделению фаз областей, богатых PEDOT и PSS, помогая стабилизировать полимерную смесь путем создания сети водонерастворимой фазы, богатой PEDOT», — добавил Скотт Кин, доцент Университета Райса и старший автор статьи.
«Помимо придания полимеру водостойкости, мы обнаружили, что разделение фаз улучшает как проводимость, так и емкость наших пленок — два критических параметра для биоэлектронных устройств».
Кроме того, простая обработка на основе тепла, предложенная Доши и его коллегами, может быть легко интегрирована в существующие производственные процессы.
В будущем это может упростить разработку различных устройств на основе PEDOT:PSS, включая биоэлектронику, а также носимую электронику и электронную кожу.
«Мы также очень рады возможности 3D-печати полимеров в микромасштабе», — сказал Доши.
«Это было главной целью для сообщества, поскольку написание этого функционального материала в 3D может позволить вам взаимодействовать с 3D-миром биологии. Обычно это делается путем объединения PEDOT:PSS с различными светочувствительными связующими или смолами; однако эти добавки влияют на свойства материала или их сложно уменьшить до микронных масштабов».
Исследователи успешно использовали свой подход на основе нагрева для создания сложных 3D-структур, включая блоки, текстурированные поверхности и скульптурные образцы с изгибами, скосами и углублениями, изготовленные из PEDOT:PSS.
Они достигли этого с помощью фемтосекундного лазерного паттернирования, но в конечном итоге этого можно будет достичь и с помощью других лазерных методов.
Исследователи надеются, что другие ученые и инженеры-материаловеды начнут экспериментировать с их термической обработкой и использовать ее для стабилизации пленок PEDOT:PSS без использования химических процессов.
В будущем их новый подход может облегчить использование этих пленок для разработки имплантируемых устройств и других устройств, которые должны быть устойчивы к воде или другим жидкостям.
«Одним из направлений будущих исследований станет изучение новых способов взаимодействия с трехмерным миром биологии через функциональные клеточные интерфейсы», — сказал Доши.
«Мы также заинтересованы в возвращении к нашей изначальной мотивации исследования новых способов изготовления PEDOT:PSS, которая заключается в создании переключаемых трехмерных фотонных устройств , использующих электрооптическую настраиваемость PEDOT:PSS для динамического изменения их оптических свойств».
«В области микро- и нанооптики существует большой интерес к устройствам, которые меняют свои функциональные возможности по требованию, и 3D-устройства могут иметь множество преимуществ по сравнению с 2D-устройствами, которые на сегодняшний день наиболее широко исследованы».
В своих следующих исследованиях Доши и его коллеги также планируют дополнительно изучить фундаментальные механизмы, лежащие в основе стабилизации PEDOT:PSS при нагревании выше 150°C в течение более двух минут.
Для этого они будут использовать передовые методы визуализации и характеристики материалов.
«Такие методы, как in-situ просвечивающая электронная микроскопия или in-situ рентгеновская дифракция, могут позволить нам визуализировать, что именно происходит с цепями PEDOT и PSS, а также общую микроструктуру материала в режиме реального времени», — добавил Доши.
Рубрика: Наука. Читать весь текст на android-robot.com.