La comunidad científica lleva mucho tiempo enamorada del potencial de los dispositivos bioelectrónicos blandos, pero se ha enfrentado a obstáculos a la hora de identificar materiales que sean biocompatibles y que tengan todas las características necesarias para funcionar de forma eficaz. Los investigadores han dado ahora un paso en la dirección correcta al modificar un material biocompatible existente para que conduzca la electricidad de manera eficiente en ambientes húmedos y pueda enviar y recibir señales iónicas de medios biológicos.

Su artículo, "El autoensamblaje electrostático induce un transporte mixto eficiente y la estabilidad del agua en PEDOT:PSS para OECT de alto rendimiento", se publica en la revista Matter. .

"Estamos hablando de una mejora de un orden de magnitud en la capacidad de los materiales bioelectrónicos blandos para funcionar eficientemente en entornos biológicos", dice Aram Amassian, coautor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Esto no es un avance incremental."

Existe un enorme interés en la creación de bioelectrónica orgánica y transistores electroquímicos orgánicos (OECT), con una amplia gama de aplicaciones biomédicas. Sin embargo, un factor limitante es la identificación de materiales no tóxicos que puedan conducir electricidad e interactuar con iones, lo cual es fundamental para funcionar en entornos biológicos y operar de manera eficiente en los entornos acuosos a base de agua de los sistemas biológicos.

Un material de interés ha sido PEDOT:PSS, que es un polímero no tóxico capaz de conducir electricidad. PEDOT:PSS se utiliza para crear películas delgadas que son efectivamente redes de fibra de solo nanómetros de ancho. La corriente eléctrica puede circular a través de las fibras, que también son sensibles a los iones de su entorno.

"La idea es que, debido a que los iones interactúan con las fibras y afectan su conductividad, PEDOT:PSS se puede utilizar para detectar lo que sucede alrededor de las fibras", dice Laine Taussig, coautora del artículo y reciente doctorada. D. Graduado de NC State que ahora trabaja en el laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

"Esencialmente, PEDOT:PSS sería capaz de monitorear su entorno biológico. Pero también podríamos usar la corriente eléctrica para influir en los iones que rodean el PEDOT:PSS, enviando señales a ese entorno biológico", dice Masoud Ghasemi, co-primer autor y ex becario postdoctoral en NC State que ahora es becario postdoctoral en Penn State.

Sin embargo, la estabilidad estructural de PEDOT:PSS disminuye significativamente cuando se coloca en ambientes acuosos, como sistemas biológicos. Esto se debe a que PEDOT:PSS es un material único elaborado a partir de dos componentes:el PEDOT, que conduce la electricidad y no es soluble en agua; y PSS, que responde a los iones, pero es soluble en agua. Es decir, el PSS hace que el material empiece a desmoronarse al entrar en contacto con el agua.

Los esfuerzos anteriores para estabilizar la estructura de PEDOT:PSS han podido ayudar al material a resistir ambientes acuosos, pero han perjudicado el rendimiento de PEDOT:PSS como conductor y han dificultado la interacción de los iones con los componentes de PSS del material.

"Nuestro trabajo aquí es importante, porque hemos encontrado una nueva forma de crear un PEDOT:PSS que sea estructuralmente estable en ambientes húmedos y capaz de interactuar con iones y conducir electricidad de manera muy eficiente", dice George Malliaras, coautor para correspondencia. y Profesor Príncipe Felipe de Tecnología en la Universidad de Cambridge.

Específicamente, los investigadores comienzan con PEDOT:PSS en solución y luego agregan sales iónicas. Con el tiempo, las sales iónicas interactúan con PEDOT:PSS, lo que hace que se autoensamble en fibras con una estructura única que permanece estable en ambientes húmedos. Este PEDOT:PSS modificado luego se seca y las sales iónicas se enjuagan.

"Ya sabíamos que las sales iónicas podrían afectar a PEDOT:PSS", dice Amassian. "Lo nuevo aquí es que al darle a las sales iónicas más tiempo para ver el alcance total de esos efectos, modificamos las estructuras cristalinas del PEDOT y el PSS para esencialmente entrelazarse a escala molecular. Esto hace que el PSS sea impermeable al agua en el medio ambiente, lo que permite que PEDOT:PSS mantenga su estabilidad estructural a nivel molecular."

"El cambio también es jerárquico, lo que significa que hay cambios a nivel molecular hasta llegar a la macroescala", dice Yaroslava Yingling, coautora del artículo y profesora distinguida de ciencia e ingeniería de materiales de Kobe Steel en NC State. "Las sales iónicas hacen que PEDOT:PSS esencialmente se reorganice en una fase que se asemeja a un gel en forma de red que se conserva tanto en ambientes secos como húmedos".

Además de ser estables en ambientes acuosos, las películas resultantes conservan su conductividad. Es más, debido a que PEDOT y PSS están estrechamente entrelazados, es fácil que los iones alcancen e interactúen con el componente PSS del material.

"Nuestros colaboradores en Cambridge utilizaron esta nueva fase de PEDOT:PSS para crear OECT", dice Amassian. "Y esos OECT establecen un nuevo estándar de vanguardia tanto en capacitancia volumétrica como en movilidad de portadores electrónicos. En otras palabras, es el nuevo estándar de oro tanto en conductividad como en capacidad de respuesta de iones en electrónica bioamigable".

"Dado que PEDOT:PSS es transparente, flexible, extensible, conductor y biocompatible, la gama de aplicaciones potenciales es apasionante y se extiende mucho más allá del sector biomédico", afirma Enrique Gómez, coautor correspondiente y profesor de Penn State. P>

El artículo fue coautor de Albert Kwansa, profesor asistente de investigación de ciencia e ingeniería de materiales en NC State; Nathan Woodward, Ph.D. estudiante de NC State; Sanggil Han y Scott Keene de Cambridge; y Ruipeng Li del Laboratorio Nacional Brookhaven.

Más información: El autoensamblaje electrostático induce un transporte mixto eficiente y estabilidad del agua en PEDOT:PSS para OECT de alto rendimiento, Materia (2024). DOI:10.1016/j.matt.2023.12.021. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00634-3

Información de la revista: Asunto

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte