A Chance Discovery a conduit une équipe de scientifiques de l’Université Rice, de l’Université de Cambridge et de l’Université de Stanford pour rationaliser la production d’un matériel largement utilisé dans les applications de recherche médicale et informatique.
Pendant plus de deux décennies, les scientifiques travaillant avec un matériau composite appelé PEDOT: PSS, ont utilisé un réticulation chimique pour rendre le polymère conducteur stable dans l’eau. Tout en expérimentant les moyens de motif le matériau Pour les applications en optique biomédicale, Siddharth Doshi, un doctorant à Stanford collaborant avec le scientifique des matériaux de riz Scott Keene, a sauté l’ajout de réticulation et a utilisé une température plus élevée tout en préparant le matériau. À sa grande surprise, l’échantillon qui en résulte s’est avéré stable seul – pas de réticule nécessaire.
« C’était plus une découverte fortuite parce que Siddharth essayait des processus très différents de la recette standard, mais les échantillons se sont toujours bien passés », a déclaré Keene. « Nous nous disions: » Attendez! Vraiment? » Cela nous a incité à examiner pourquoi et comment cela a fonctionné. «
Ce que Keene et son équipe ont constaté, c’est que Heating Pedot: PSS au-delà du seuil habituel le rend stable sans avoir besoin d’un réticulé, mais il crée également des appareils de meilleure qualité. Cette méthode, décrite dans un étude récente publié dans Matériaux avancés, pourrait rendre la fabrication de dispositifs bioélectroniques plus faciles et plus fiables avec des applications potentielles dans les implants neuronaux, les biocapteurs et les systèmes informatiques de nouvelle génération.
PEDOT: PSS est un mélange de deux polymères: l’un qui effectue une charge électronique et ne se dissout pas dans l’eau et un autre qui effectue une charge ionique et est soluble dans l’eau. Parce qu’il mène les deux types de charges, PEDOT: PSS comble l’écart entre les tissus vivants et la technologie.
« Il vous permet de parler essentiellement du langage du cerveau », a déclaré Keene, qui recherche des matériaux avancés pour des électrodes plus petites et à haute résolution capables d’enregistrer et de stimuler l’activité neuronale avec précision.
Le système nerveux humain repose sur des ions – des particules chargées comme le sodium et le potassium – pour transmettre des signaux, tandis que les dispositifs électroniques fonctionnent avec des électrons. Un matériau qui peut gérer les deux est crucial pour les implants neuronaux et autres dispositifs bioélectroniques qui doivent traduire l’activité biologique en données lisibles et envoyer des signaux sans endommager les tissus sensibles.
En éliminant le réticulation, les résultats de la recherche rationalisent non seulement le processus de fabrication PEDOT: PSS mais améliorent également ses performances. La nouvelle méthode produit un matériau avec une conductivité électrique trois fois plus élevée et une stabilité plus cohérente entre les lots – avantages clés pour les applications médicales.
Le réticulation a travaillé en liant chimiquement les deux types de brins de polymère dans PEDOT: PSS ensemble, créant un maillage interconnecté. Cependant, il a toujours laissé certains des brins solubles dans l’eau exposés – une cause probablement des problèmes de stabilité. De plus, le réticule a introduit la variabilité et la toxicité potentielle dans le matériau.
En revanche, la chaleur plus élevée stabilise PEDOT: PSS en provoquant un changement de phase dans le matériau. Lorsqu’il est chauffé au-delà d’une certaine température, le polymère insoluble dans l’eau se réorganise en interne, poussant les composants solubles dans l’eau à la surface, où ils peuvent être emportés. Ce qui reste est un film conducteur plus mince, plus pur et plus stable.
« Cette méthode simplifie à peu près beaucoup de ces problèmes que les gens ont travaillé avec PEDOT: PSS », a déclaré Keene. « Il élimine également un produit chimique potentiellement toxique. »
Margaux Forner, un doctorant à Cambridge qui est un premier auteur sur le papier avec Doshi, a déclaré que les appareils bioélectroniques traités à la chaleur tels que les transistors, les stimulateurs de la moelle épinière et les réseaux d’électrocorticographie – des réseaux implantés ou des bandes de neuroélectrodes utilisées pour enregistrer l’activité cérébrale – étaient plus faciles à fabriquer, plus fiables et aérément élevés en termes de performance supérieure à celles rédigées.
« Les dispositifs fabriqués à partir de PEDOT traités à la chaleur: le PSS s’est avéré robuste dans des expériences chroniques in vivo, en maintenant la stabilité pendant plus de 20 jours après l’implantation », a déclaré Forner. « Notamment, le film a maintenu d’excellentes performances électriques une fois étirées, mettant en évidence son potentiel de dispositifs bioélectroniques résilients à l’intérieur et à l’extérieur du corps. »
La constatation peut aider à expliquer pourquoi les efforts antérieurs pour utiliser PEDOT: PSS dans les implants neuronaux à long terme, y compris ceux de Neuralink, ont rencontré des problèmes de stabilité. En rendant PEDOT: PSS plus fiable, cette découverte pourrait aider à faire progresser la neurotechnologie, y compris les implants pour restaurer le mouvement après les lésions et les interfaces de la moelle épinière qui relie le cerveau aux dispositifs externes.
Au-delà de la fabrication de simplification, l’équipe a trouvé un moyen de motif de PEDOT: PSS dans des structures 3D microscopiques – une percée qui pourrait encore améliorer les dispositifs bioélectroniques. À l’aide d’un laser fémtoseconde de haute précision, les chercheurs peuvent chauffer sélectivement les sections du matériau, créant des textures personnalisées qui améliorent la façon dont les cellules interagissent avec les appareils.
« Nous sommes vraiment enthousiasmés par la capacité d’imprimer en 3D les polymères à l’échelle microscopique », a déclaré Doshi. « Cela a été un objectif majeur pour la communauté car la rédaction de ce matériel fonctionnel en 3D pourrait vous permettre de vous interfacer avec le monde 3D de la biologie. En règle générale, cela se fait en combinant PEDOT: PSS avec différents liants photosensibles ou résines;
Dans les recherches antérieures, Keene a exploré des rainures de motif de motif sur les électrodes, constatant que les cellules adhèrent préférentiellement aux rainures sur le même ordre que leur échelle de longueur. En d’autres termes, « une cellule de 20 micron aime s’arrêter à 20 textures de taille micron », a-t-il déclaré.
Cette technique pourrait être utilisée pour concevoir des interfaces neuronales qui encouragent une meilleure intégration avec les tissus environnants, l’amélioration de la qualité du signal et de la longévité.
Keene avait également recherché PEDOT: PSS dans le contexte des dispositifs de mémoire neuromorphiques utilisés pour accélérer les algorithmes d’intelligence artificielle. La mémoire neuromorphique est un type de mémoire artificielle qui imite la façon dont le cerveau conserve des informations.
« Il émule essentiellement la plasticité synaptique de votre cerveau », a déclaré Keene. « Nous pouvons modifier la connexion entre deux terminaux en contrôlant à quel point ce matériau est conducteur; cela est très similaire à la façon dont votre cerveau apprend en renforçant ou en affaiblissant les connexions synaptiques entre les neurones individuels. »
En renversant une hypothèse de longue date, la recherche a non seulement rendu PEDOT: PSS plus facile à travailler avec mais aussi plus puissant – un changement qui pourrait accélérer le développement d’implants neuronaux plus sûrs et plus efficaces et de systèmes bioélectroniques.
Plus d’informations:
Siddharth Doshi et al, Thermal Processing Crée PEDOT-stable: Films PSS pour la bioélectronique, Matériaux avancés (2025). Doi: 10.1002 / ADMA.202415827