Случайное наблюдение привело к разработке нового, более простого метода стабилизации биоэлектронного материала PEDOT:PSS без использования химического сшивающего агента. Открытие было сделано Сиддхартом Доши, аспирантом Стэнфордского университета, во время экспериментов по прецизионному структурированию для биомедицинской оптики. Он пропустил этап добавления сшивающего агента, но применил более высокую температуру нагрева, чем обычно. Полученный образец неожиданно оказался стабильным.
Материал PEDOT:PSS представляет собой композит, смесь двух полимеров: один проводит электронный заряд и не растворяется в воде, другой проводит ионный заряд и водорастворим. Эта двойная проводимость критически важна, так как позволяет соединять живые ткани, использующие ионы (например, натрия и калия), с технологиями, работающими на электронах. Как отметил Скотт Кин, ученый-материаловед из Университета Райса, сотрудничавший с Доши, «Он [материал], по сути, позволяет говорить на языке мозга». PEDOT:PSS используется в исследованиях уже более двух десятилетий.
Традиционный метод стабилизации PEDOT:PSS, применявшийся свыше 20 лет, полагался на химический сшивающий агент. Этот агент связывал два типа полимеров в единую сетку, придавая материалу стабильность в водной среде. Однако этот подход имел недостатки: оставались незащищенные водорастворимые цепи, что приводило к проблемам со стабильностью, возникала вариативность между партиями, существовал риск токсичности из-за химического агента, а сам процесс изготовления усложнялся.
Новый метод, разработанный после наблюдения Доши и исследованный командой Кина в Университете Райса, заключается в нагреве PEDOT:PSS выше определенной пороговой температуры. Это вызывает фазовый переход: водонерастворимый полимер внутренне реорганизуется, выталкивая водорастворимые компоненты на поверхность. Затем эти водорастворимые компоненты можно просто смыть. В результате остается более тонкая, чистая и стабильная проводящая пленка, при этом отпадает необходимость в использовании химического сшивающего агента.
Преимущества термообработки значительны. Процесс изготовления PEDOT:PSS упрощается. Получаются более качественные и стабильные устройства с более предсказуемой стабильностью от партии к партии. Электрическая проводимость материала возрастает в три раза. Исключается использование потенциально токсичного химического сшивающего агента. «Этот метод значительно упрощает многие из этих проблем... Он также, по сути, устраняет потенциально токсичное химическое вещество,» – подчеркивает Кин.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials. Устройства, изготовленные с использованием термообработанного PEDOT:PSS (включая транзисторы, стимуляторы спинного мозга и электрокортикографические решетки), оказались проще в производстве и надежнее. Их производительность была не хуже, чем у аналогов, сделанных с применением сшивающего агента. Испытания in vivo подтвердили надежность устройств: они сохраняли стабильность более 20 дней после имплантации. Первыми авторами статьи стали Сиддхарт Доши и Марго Форнер, аспирантка Кембриджского университета.
Термообработанный материал также продемонстрировал отличные электрические характеристики при растяжении, что указывает на возможность создания более устойчивых и гибких биоэлектронных устройств. Это открывает новые перспективы для применения PEDOT:PSS, который уже используется в медицинских исследованиях, вычислительных приложениях и биомедицинской оптике.
Усовершенствованный материал может найти применение в нейронных имплантах, потенциально решая проблемы стабильности, биосенсорах, вычислительных системах нового поколения, миниатюрных электродах высокого разрешения для записи и стимуляции нейронной активности, имплантируемых электрокортикографических решетках для мониторинга мозговой активности, а также в устройствах для восстановления движений после травм спинного мозга и интерфейсах мозг-компьютер.
Параллельно команда разработала метод трехмерного микромасштабного структурирования PEDOT:PSS с использованием высокоточного фемтосекундного лазера. Лазер избирательно нагревает участки материала, создавая заданные микроскопические 3D-структуры и текстуры. Это улучшает взаимодействие клеток с устройствами, способствуя лучшей интеграции с тканями.
Предыдущие исследования Кина показали, что клетки предпочитают прикрепляться к текстурам, размер которых соответствует их собственному (например, клетка размером 20 микрон лучше всего взаимодействует с текстурами размером 20 микрон). «Основная цель для [научного] сообщества — это создание функционального материала в 3D для взаимодействия с трехмерным миром биологии,» – говорит Доши. Этот лазерный метод позволяет избежать добавления фоточувствительных связующих или смол, которые могут влиять на свойства материала или трудно поддаются масштабированию.
Материал PEDOT:PSS также используется в исследованиях Скотта Кина по созданию нейроморфных запоминающих устройств, имитирующих синаптическую пластичность мозга для ускорения искусственного интеллекта. Возможность изменять проводимость материала аналогична усилению или ослаблению синаптических связей в мозге.
Изображение носит иллюстративный характер
Материал PEDOT:PSS представляет собой композит, смесь двух полимеров: один проводит электронный заряд и не растворяется в воде, другой проводит ионный заряд и водорастворим. Эта двойная проводимость критически важна, так как позволяет соединять живые ткани, использующие ионы (например, натрия и калия), с технологиями, работающими на электронах. Как отметил Скотт Кин, ученый-материаловед из Университета Райса, сотрудничавший с Доши, «Он [материал], по сути, позволяет говорить на языке мозга». PEDOT:PSS используется в исследованиях уже более двух десятилетий.
Традиционный метод стабилизации PEDOT:PSS, применявшийся свыше 20 лет, полагался на химический сшивающий агент. Этот агент связывал два типа полимеров в единую сетку, придавая материалу стабильность в водной среде. Однако этот подход имел недостатки: оставались незащищенные водорастворимые цепи, что приводило к проблемам со стабильностью, возникала вариативность между партиями, существовал риск токсичности из-за химического агента, а сам процесс изготовления усложнялся.
Новый метод, разработанный после наблюдения Доши и исследованный командой Кина в Университете Райса, заключается в нагреве PEDOT:PSS выше определенной пороговой температуры. Это вызывает фазовый переход: водонерастворимый полимер внутренне реорганизуется, выталкивая водорастворимые компоненты на поверхность. Затем эти водорастворимые компоненты можно просто смыть. В результате остается более тонкая, чистая и стабильная проводящая пленка, при этом отпадает необходимость в использовании химического сшивающего агента.
Преимущества термообработки значительны. Процесс изготовления PEDOT:PSS упрощается. Получаются более качественные и стабильные устройства с более предсказуемой стабильностью от партии к партии. Электрическая проводимость материала возрастает в три раза. Исключается использование потенциально токсичного химического сшивающего агента. «Этот метод значительно упрощает многие из этих проблем... Он также, по сути, устраняет потенциально токсичное химическое вещество,» – подчеркивает Кин.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials. Устройства, изготовленные с использованием термообработанного PEDOT:PSS (включая транзисторы, стимуляторы спинного мозга и электрокортикографические решетки), оказались проще в производстве и надежнее. Их производительность была не хуже, чем у аналогов, сделанных с применением сшивающего агента. Испытания in vivo подтвердили надежность устройств: они сохраняли стабильность более 20 дней после имплантации. Первыми авторами статьи стали Сиддхарт Доши и Марго Форнер, аспирантка Кембриджского университета.
Термообработанный материал также продемонстрировал отличные электрические характеристики при растяжении, что указывает на возможность создания более устойчивых и гибких биоэлектронных устройств. Это открывает новые перспективы для применения PEDOT:PSS, который уже используется в медицинских исследованиях, вычислительных приложениях и биомедицинской оптике.
Усовершенствованный материал может найти применение в нейронных имплантах, потенциально решая проблемы стабильности, биосенсорах, вычислительных системах нового поколения, миниатюрных электродах высокого разрешения для записи и стимуляции нейронной активности, имплантируемых электрокортикографических решетках для мониторинга мозговой активности, а также в устройствах для восстановления движений после травм спинного мозга и интерфейсах мозг-компьютер.
Параллельно команда разработала метод трехмерного микромасштабного структурирования PEDOT:PSS с использованием высокоточного фемтосекундного лазера. Лазер избирательно нагревает участки материала, создавая заданные микроскопические 3D-структуры и текстуры. Это улучшает взаимодействие клеток с устройствами, способствуя лучшей интеграции с тканями.
Предыдущие исследования Кина показали, что клетки предпочитают прикрепляться к текстурам, размер которых соответствует их собственному (например, клетка размером 20 микрон лучше всего взаимодействует с текстурами размером 20 микрон). «Основная цель для [научного] сообщества — это создание функционального материала в 3D для взаимодействия с трехмерным миром биологии,» – говорит Доши. Этот лазерный метод позволяет избежать добавления фоточувствительных связующих или смол, которые могут влиять на свойства материала или трудно поддаются масштабированию.
Материал PEDOT:PSS также используется в исследованиях Скотта Кина по созданию нейроморфных запоминающих устройств, имитирующих синаптическую пластичность мозга для ускорения искусственного интеллекта. Возможность изменять проводимость материала аналогична усилению или ослаблению синаптических связей в мозге.
