Chance Discovery verbessert die Stabilität von bioelektronischem Material, das in medizinischen Implantaten, Computing und Biosensoren verwendet wird

Eine zufällige Entdeckung veranlasste ein Team von Wissenschaftlern der Rice University, der University of Cambridge und der Stanford University, die Produktion eines in medizinischen Forschungs- und Computeranwendungen verwendeten Materials zu optimieren.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten verwendeten Wissenschaftler, die mit einem zusammengesetzten Material namens Pedot: PSS arbeiten, einen chemischen Vernetzer, um das leitende Polymer in Wasser stabil zu machen. Während Sie mit Möglichkeiten experimentieren, genau zu Muster das Material Für Anwendungen in der biomedizinischen Optik, Siddharth Doshi, ein Doktorand bei Stanford, der mit dem Reismaterialwissenschaftler Scott Keene zusammenarbeitete, übersprang das Vernetzer und verwendete eine höhere Temperatur, während das Material vorbereitet wurde. Zu seiner Überraschung stellte sich heraus, dass die resultierende Probe für sich selbst stabil war – kein Vernetzer brauchte.

„Es war eher eine zufällige Entdeckung, da Siddharth Prozesse ausprobierte, die sich sehr vom Standardrezept unterschieden, aber die Proben wurden immer noch gut“, sagte Keene. „Wir sagten, ‚warte! Wirklich?‘ Dies veranlasste uns, zu prüfen, warum und wie das funktioniert hat. „

Was Keene und sein Team festgestellt haben, war, dass Heizungspedot: PSS über den üblichen Schwellenwert hinausgeht, macht es nicht nur stabil, ohne dass ein Vernetzer erforderlich ist, sondern es schafft auch Geräte mit höherer Qualität. Diese Methode, beschrieben in a Jüngste Studie veröffentlicht in Fortgeschrittene Materialien, könnte die Herstellung von bioelektronischen Geräten erleichtern und zuverlässiger mit potenziellen Anwendungen in neuronalen Implantaten, Biosensoren und Computersystemen der nächsten Generation.

PEDOT: PSS ist eine Mischung aus zwei Polymeren: eine, die elektronische Ladung durchführt und nicht in Wasser auflöst und eine eine Ionenladung und wasserlöslich ist. Da es beide Arten von Gebühren durchführt, überbrückt PEDOT: PSS die Lücke zwischen lebendem Gewebe und Technologie.

„Es ermöglicht Ihnen, im Wesentlichen über die Sprache des Gehirns zu sprechen“, sagte Keene, der fortschrittliche Materialien für kleinere hochauflösende Elektroden untersucht, die die neuronale Aktivität mit Präzision aufzeichnen und stimulieren können.

Das menschliche Nervensystem basiert auf Ionen – geladene Partikel wie Natrium und Kalium -, um Signale zu übertragen, während elektronische Geräte mit Elektronen arbeiten. Ein Material, das beides umgehen kann, ist für neuronale Implantate und andere bioelektronische Geräte von entscheidender Bedeutung, die die biologische Aktivität in lesbare Daten umsetzen und Signale senden müssen, ohne empfindliches Gewebe zu beschädigen.

Durch die Beseitigung des Vernetzers optimieren die Forschungsergebnisse nicht nur den PEDOT: PSS -Herstellungsprozess, sondern auch die Leistung. Die neue Methode erzeugt ein Material mit dreimal höherer elektrischer Leitfähigkeit und konsistenterer Stabilität zwischen Chargen – Vorteile für medizinische Anwendungen.

Der Vernetzer arbeitete daran, die beiden Arten von Polymersträngen in PEDOT: PSS chemisch zu verbinden und ein miteinander verbundenes Netz zu erzeugen. Es ließ jedoch immer noch einige der wasserlöslichen Stränge freigelegt-eine wahrscheinliche Ursache für die Stabilitätsprobleme. Darüber hinaus führte der Vernetzer Variabilität und potenzielle Toxizität im Material ein.

Im Gegensatz dazu stabilisiert die höhere Wärme Pedot: PSS durch eine Phasenänderung des Materials. Wenn das wasserunlösliche Polymer über eine bestimmte Temperatur hinaus erhitzt wird, organisiert sie intern neu und drückt die wasserlöslichen Komponenten an die Oberfläche, wo sie weggespült werden können. Was bleibt, ist ein dünnerer, reiner und stabiler leitender Film.

„Diese Methode vereinfacht viele dieser Probleme, die Menschen mit Pedot zusammenarbeiten: PSS“, sagte Keene. „Es eliminiert auch eine potenziell toxische Chemikalie.“

Margaux Forner, ein Doktorand in Cambridge, der zusammen mit Doshi Erstautor auf dem Papier ist, sagte, dass hitzebehandelte bioelektronische Geräte wie Transistoren, Rückenmarksstimulatoren und Elektrokortikographie-Arrays-implantierte Gitter oder Streifen von Neuroelektroden, die zur Hirnaktivität aufgezeichnet wurden, leichter zu erfassen und gleichmäßig zu erfassen, und gleichmäßiges und gleichmäßige Streifen, die mit den Fabriken aufgenommen wurden.

„Die Geräte aus hitzebehandeltem Pedot: PSS erwiesen sich als robust in chronischen In-vivo-Experimenten und behalten über 20 Tage nach der Implantation die Stabilität auf“, sagte Forner. „Insbesondere hat der Film beim Dehnen eine hervorragende elektrische Leistung beibehalten und sein Potenzial für widerstandsfähige bioelektronische Geräte sowohl innerhalb als auch außerhalb des Körpers hervorhebt.“

Die Feststellung kann helfen, zu erklären, warum frühere Bemühungen zur Verwendung von PEDOT: PSS in langfristigen neuronalen Implantaten, einschließlich der von Neuralink, auf Stabilitätsprobleme gestoßen sind. Durch die Herstellung von Pedot: PSS zuverlässiger könnte diese Entdeckung dazu beitragen, die Neurotechnologie zu fördern, einschließlich Implantaten, um die Bewegung nach Verletzungen des Rückenmarks und Schnittstellen wiederherzustellen, die das Gehirn mit externen Geräten verbinden.

Abgesehen von der Vereinfachung der Herstellung fand das Team einen Weg zum Muster von Pedot: PSS in mikroskopische 3D -Strukturen – ein Durchbruch, der die bioelektronischen Geräte weiter verbessern könnte. Unter Verwendung eines hochpräzisen Femtosekunden-Lasers können die Forscher Abschnitte des Materials selektiv erwärmen und benutzerdefinierte Texturen erstellen, die die Art und Weise verbessern, wie Zellen mit den Geräten interagieren.

„Wir freuen uns sehr über die Fähigkeit, die Polymere im Mikroskala 3D-Druck zu machen“, sagte Doshi. „Dies war ein Hauptziel für die Community, da das Schreiben dieses funktionalen Materials in 3D Sie mit der 3D-Welt der Biologie einstellen können. In der Regel wird dies durch Kombinieren von Pedot: PSS mit unterschiedlichen photosensitiven Bindemitteln oder Harzen durchgeführt. Diese Ergänzungen beeinflussen jedoch die Eigenschaften des Materials oder sind schwierig, sich auf Mikrometerlänge zu skalieren.“

In früheren Untersuchungen untersuchte Keene Strukturrillen auf Elektroden und stellte fest, dass Zellen bevorzugt Rillen in der gleichen Reihenfolge wie ihre Längenskala haften. Mit anderen Worten: „Eine 20-Mikron-Zelle greift gerne auf 20 Mikrometergröße Texturen“, sagte er.

Diese Technik könnte verwendet werden, um neuronale Schnittstellen zu entwerfen, die eine bessere Integration in das umgebende Gewebe fördern und die Signalqualität und Langlebigkeit verbessern.

Keene hatte zuvor auch Pedot untersucht: PSS im Kontext neuromorpher Gedächtnisgeräte zur Beschleunigung künstlicher Intelligenzalgorithmen. Das neuromorphe Gedächtnis ist eine Art künstliches Gedächtnis, das die Art und Weise nachahmt, wie das Gehirn Informationen behält.

„Es emuliert im Grunde die synaptische Plastizität Ihres Gehirns“, sagte Keene. „Wir können den Zusammenhang zwischen zwei Klemmen ändern, indem wir steuern, wie leitend dieses Material ist. Dies ist sehr ähnlich zu dem, wie Ihr Gehirn lernt, indem sie synaptische Verbindungen zwischen einzelnen Neuronen stärken oder schwächen.“

Durch die Abspannung einer langjährigen Annahme machte die Forschung nicht nur Pedot: PSS leichter zu arbeiten, sondern auch leistungsfähiger-eine Verschiebung, die die Entwicklung sicherer, effektiverer neuronaler Implantate und bioelektronischer Systeme beschleunigen könnte.