Термостатирование проводящего полимера упрощает изготовление биоэлектроники

Последние достижения в области материаловедения открыли новые возможности для создания биоэлектроники — устройств, предназначенных для ношения или имплантации в организм человека. Биоэлектроника может помочь отслеживать или поддерживать функции органов, тканей и клеток, что способствует профилактике и лечению различных заболеваний.

Перспективным материалом для создания биоэлектроники является PEDOT:PSS — полимер, известный своей высокой электропроводностью, гибкостью и совместимостью с биологическими тканями. Несмотря на свои преимущества, PEDOT:PSS постепенно растворяется в биологических жидкостях, и этому ограничению до сих пор пытались противостоять 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 помощью тепла. Было обнаружено, что предложенная ими термическая обработка, описанная в журнале Advanced Materials, делает плёнки PEDOT:PSS устойчивыми в воде без каких-либо химических добавок.

«Эта работа началась с неожиданного открытия, сделанного в ходе моего предыдущего исследования, в котором я использовал чувствительный к давлению полимер PEDOT:PSS для создания фотонных устройств, меняющих форму, — рассказал Сиддхарт Доши, соавтор статьи, изданию Tech Xplore. – Я заметил, что плёнки PEDOT:PSS, которые я случайно испек при более высокой, чем обычно, температуре, не растворялись в воде. Это стало большим сюрпризом, поскольку PEDOT:PSS — широко изучаемый проводящий полимер, и, чтобы обойти тот факт, что он расслаивается в воде, в сотнях статей по биоэлектронике для стабилизации устройств используются химические сшивающие агенты».

Сделав это неожиданное открытие в ходе своего предыдущего исследования, Доши и его коллеги решили изучить возможность стабилизации плёнок PEDOT:PSS в жидкостях при их нагревании. Кроме того, они хотели выяснить, что именно происходит при нагревании плёнок выше определённых температур, как этот процесс влияет на их свойства и может ли нагрев заменить существующие процессы химической стабилизации.

«Ключевым преимуществом нашего подхода является его простота: вы можете просто нагреть плёнки из коммерческого немодифицированного PEDOT:PSS на плите при температуре от 150°C до 200°C в течение 2 минут, и они больше не будут растворяться в воде, — объяснил Доши. – Это работает на разных подложках, в том числе на эластичных пластиках и даже на разных тканях, и позволяет избежать многих сложностей, связанных с химическими сшивающими агентами, которые влияют на проводимость и надёжность плёнок».

Разработанная исследователями термическая обработка также может обеспечить прямое нанесение узоров на PEDOT:PSS простым нагревом определённых участков плёнки, что устраняет необходимость в сложных методах литографии. В рамках своего исследования Доши и его коллеги также продемонстрировали 3D-печать PEDOT:PSS в микромасштабе с помощью сфокусированного фемтосекундного лазерного луча.

«PEDOT:PSS сильно поглощает свет в ближнем инфракрасном диапазоне, который мы использовали, что приводит к локальному нагреву, — сказал Доши. — Благодаря послойному сканированию сфокусированным лазерным лучом мы смогли локально стабилизировать 3D-узоры внутри плёнки, которые остаются даже после того, как непроявленные части плёнки смываются водой. В качестве приятного дополнительного преимущества это даёт нам экологически чистый способ создания узоров на этом материале, используя только воду для обработки вместо других токсичных растворителей».

Первые испытания, проведённые исследователями, дали очень многообещающие результаты. В конечном итоге было обнаружено, что их подход, основанный на нагревании, делает плёнки PEDOT:PSS устойчивыми к воздействию воды, а также улучшает их характеристики.

«Термообработанные биоэлектронные устройства, такие как транзисторы, стимуляторы спинного мозга и массивы электрокортикографии (ЭКоГ), было проще изготовить, они были более надёжными и столь же эффективными. И они доказали свою надёжность в ходе хронических экспериментов in vivo, сохраняя стабильность в течение более 20 дней после имплантации», — сказала Марго Форнер, аспирантка Кембриджского университета и соавтор статьи. – Примечательно, что при растяжении плёнка сохраняла отличные электрические характеристики, что подчёркивает её потенциал для создания гибких биоэлектронных устройств как внутри, так и снаружи тела».

«Наши исследования показывают, что термическая обработка приводит к фазовому разделению областей, богатых PEDOT и PSS, что помогает стабилизировать полимерную смесь за счёт создания водонерастворимой фазы, богатой PEDOT, — добавил Скотт Кин, доцент Университета Райса и старший автор статьи. «Помимо того, что мы сделали полимер устойчивым к воздействию воды, мы обнаружили, что фазовое разделение улучшает проводимость и ёмкость наших плёнок — два важнейших параметра для биоэлектронных устройств».

Кроме того, простая термическая обработка, предложенная Доши и его коллегами, может быть легко интегрирована в существующие производственные процессы. Таким образом, в будущем это может упростить разработку различных устройств на основе PEDOT:PSS, в том числе биоэлектроники, а также носимой электроники и электронных покрытий.

«Мы также очень рады возможности 3D-печатать полимеры в микромасштабе, — сказал Доши. — Это было главной целью сообщества, поскольку создание этого функционального материала в 3D позволило бы взаимодействовать с 3D-миром биологии. Обычно это делается путём объединения PEDOT:PSS с различными светочувствительными связующими веществами или смолами; однако эти добавки влияют на свойства материала или их сложно масштабировать до микронных размеров».

Исследователи успешно использовали свой подход, основанный на нагревании, для создания сложных трёхмерных структур, в том числе блоков, текстурированных поверхностей и скульптурных образцов с изгибами, скосами и углублениями, изготовленных из PEDOT:PSS. Они добились этого с помощью фемтосекундного лазерного нанесения узоров, но в конечном итоге это можно было бы сделать и с помощью других лазерных методов.

Исследователи надеются, что другие учёные-материаловеды и инженеры начнут экспериментировать с их термической обработкой и использовать её для стабилизации плёнок PEDOT:PSS, не полагаясь на химические процессы. В будущем их новый подход может облегчить использование этих плёнок для разработки имплантируемых устройств и других устройств, устойчивых к воздействию воды и других жидкостей.

«Одним из направлений будущих исследований будет изучение новых способов взаимодействия с трёхмерным биологическим миром с помощью функциональных клеточных интерфейсов, — сказал Доши. – Мы также заинтересованы в том, чтобы вернуться к нашей первоначальной цели — изучению новых способов изготовления PEDOT:PSS, то есть переключаемых 3D фотонных устройств, которые используют электрооптическую настраиваемость PEDOT:PSS для динамического изменения своих оптических свойств. В области микро- и нанооптики существует большой интерес к устройствам, которые меняют свою функциональность по требованию, и 3D-устройства могут иметь множество преимуществ по сравнению с 2D-устройствами, которые наиболее широко изучены на сегодняшний день».

В своих следующих исследованиях Доши и его коллеги также планируют 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 определения характеристик материалов.

«Такие методы, как просвечивающая электронная микроскопия in situ или рентгеновская дифракция in situ, позволили бы нам в режиме реального времени увидеть, что именно происходит с цепочками PEDOT и PSS и с общей микроструктурой материала», — добавил Доши.

Источник: Tech Xplore