En tilfældig opdagelse førte et team af forskere fra Rice University, University of Cambridge og Stanford University til at strømline produktionen af et materiale, der er vidt brugt i medicinsk forskning og computerapplikationer.
I mere end to årtier brugte forskere, der arbejder med et sammensat materiale kendt som PEDOT: PSS, en kemisk tværbinding til at gøre den ledende polymer stabil i vand. Mens han eksperimenterer med måder til præcist at mønstre materialet til applikationer i biomedicinsk optik, sprang Siddharth Doshi, en doktorand ved Stanford, samarbejdet med rismateriale -videnskabsmand Scott Keene, overført til at tilføje tværbindingen og brugte en højere temperatur, mens materialet præpede materialet. Til hans overraskelse viste det sig, at den resulterende prøve var stabil på egen hånd – ingen tværgående nødvendigt.
“Det var mere en serendipitøs opdagelse, fordi Siddharth prøvede processer, der var meget forskellige fra standardopskriften, men prøverne viste sig stadig fine,” sagde Keene. “Vi var som ‘Vent! Virkelig?’ Dette fik os til at undersøge, hvorfor og hvordan dette fungerede. “
Hvad Keene og hans team fandt, var, at Heating PEDOT: PSS ud over den sædvanlige tærskel ikke kun gør det stabilt uden behov for nogen tværgående, men det skaber også enheder af højere kvalitet. Denne metode, der er beskrevet i en nylig undersøgelse offentliggjort i Avancerede materialer, kunne gøre fremstillingen af bioelektroniske enheder lettere og mere pålidelige med potentielle anvendelser i neurale implantater, biosensorer og næste generations computersystemer.
PEDOT: PSS er en blanding af to polymerer: en, der udfører elektronisk ladning og ikke opløses i vand og en anden, der udfører ionisk ladning og er vandopløselig. Fordi det udfører begge typer afgifter, PEDOT: PSS broer kløften mellem levende væv og teknologi.
“Det giver dig mulighed for i det væsentlige at tale hjernen i hjernen,” sagde Keene, der forsker på avancerede materialer til mindre elektroder med høj opløsning, der er i stand til både registrering og stimulering af neurale aktiviteter med præcision.
Det humane nervesystem er afhængig af ioner – ladede partikler som natrium og kalium – for at transmittere signaler, mens elektroniske anordninger arbejder med elektroner. Et materiale, der kan håndtere både, er afgørende for neurale implantater og andre bioelektroniske enheder, der har brug for at oversætte biologisk aktivitet til læsbare data og sende signaler uden at skade følsomt væv.
Ved at fjerne tværbindingen strømline forskningsresultaterne ikke kun PEDOT: PSS -fabrikationsprocessen, men forbedrer også dens ydeevne. Den nye metode producerer et materiale med tre gange højere elektrisk ledningsevne og mere konsekvent stabilitet mellem batches – nøglefordele til medicinske anvendelser.
Tværbindingen arbejdede ved kemisk at binde de to typer polymerstrenge i PEDOT: PSS sammen, hvilket skabte et sammenkoblet net. Imidlertid efterlod det stadig nogle af de vandopløselige strenge udsat-en sandsynligvis årsag til stabilitetsproblemerne. Desuden introducerede tværbindingen variation og potentiel toksicitet i materialet.
I modsætning hertil stabiliserer den højere varme PEDOT: PSS ved at forårsage en faseændring i materialet. Når den opvarmes ud over en bestemt temperatur, omorganiseres den vandopløselige polymer internt og skubber de vandopløselige komponenter til overfladen, hvor de kan vaskes væk. Det, der er tilbage, er en tyndere, renere og mere stabil ledende film.
“Denne metode forenkler stort set mange af disse problemer, som folk har arbejdet med PEDOT: PSS,” sagde Keene. “Det eliminerer også i det væsentlige et potentielt giftigt kemikalie.”
Margaux Forner, a doctoral student at Cambridge who is a first author on the paper along with Doshi, said that heat-treated bioelectronic devices such as transistors, spinal cord stimulators and electrocorticography arrays—implanted grids or strips of neuroelectrodes used to record brain activity—were easier to fabricate, more reliable and equally high performing to those fabricated using the tværgående.
“Enhederne lavet af varmebehandlet PEDOT: PSS viste sig at være robust i kroniske in vivo-eksperimenter og opretholde stabilitet i over 20 dage efter implantation,” sagde Forner. “Navnlig opretholdt filmen fremragende elektrisk ydeevne, når den strækkede sig, og fremhævede sit potentiale for elastiske bioelektroniske enheder både i og uden for kroppen.”
Fundet kan hjælpe med at forklare, hvorfor tidligere bestræbelser på at bruge PEDOT: PSS i langvarige neurale implantater, inklusive dem af Neuralink, løb ind i stabilitetsspørgsmål. Ved at gøre PEDOT: PSS mere pålidelig, kan denne opdagelse hjælpe med at fremme neuroteknologi, herunder implantater for at gendanne bevægelse efter rygmarvsskader og grænseflader, der forbinder hjernen til eksterne enheder.
Ud over at forenkle fabrikation fandt teamet en måde at mønstre PEDOT: PSS i mikroskopiske 3D -strukturer – et gennembrud, der kunne forbedre bioelektroniske enheder yderligere. Ved hjælp af en højpræcision femtosekund laser kan forskerne selektivt opvarme sektioner af materialet, hvilket skaber brugerdefinerede strukturer, der forbedrer, hvordan celler interagerer med enhederne.
“Vi er virkelig begejstrede for evnen til at 3D-udskrive polymererne ved mikroskalaen,” sagde Doshi. “Dette har været et vigtigt mål for samfundet, da det at skrive dette funktionelle materiale i 3D kunne lade dig interface med 3D-verdenen af biologi. Typisk gøres dette ved at kombinere PEDOT: PSS med forskellige fotosensitive bindemidler eller harpikser. Imidlertid påvirker disse tilføjelser egenskaberne for materialet eller udfordrer til at nedskalere ned til mikron-længdeskalaer.”
I tidligere forskning udforskede Keene mønstrende riller på elektroder og fandt, at celler fortrinsvis overholder riller i samme rækkefølge som deres længdeskala. Med andre ord, “en 20 mikron celle kan lide at gribe fat i 20 mikron-størrelse strukturer,” sagde han.
Denne teknik kunne bruges til at designe neurale grænseflader, der tilskynder til bedre integration med omgivende væv, forbedring af signalkvaliteten og levetiden.
Keene havde også tidligere undersøgt PEDOT: PSS i sammenhæng med neuromorfe hukommelsesenheder, der blev brugt til at fremskynde kunstige intelligensalgoritmer. Neuromorf hukommelse er en type kunstig hukommelse, der efterligner, hvordan hjernen bevarer information.
“Det emulerer dybest set den synaptiske plasticitet i din hjerne,” sagde Keene. “Vi kan ændre forbindelsen mellem to terminaler ved at kontrollere, hvor ledende dette materiale er; dette ligner meget, hvordan din hjerne lærer ved at styrke eller svække synaptiske forbindelser mellem individuelle neuroner.”
Ved at ubesværet en langvarig antagelse gjorde forskningen ikke kun PEDOT: PSS lettere at arbejde med, men også mere kraftfuld-et skift, der kunne fremskynde udviklingen af mere sikre, mere effektive neurale implantater og bioelektroniske systemer.