Более двух десятилетий ученые, работающие с композитным материалом, известным как PEDOT: PSS, использовали химический сшиватель, чтобы сделать проводящий полимер стабильным в воде. Экспериментируя со способами получения точного рисунка материала для применения в биомедицинской оптике, Сиддхарт Доши, докторант Стэнфордского университета, сотрудничающий с ученым-материаловедом Райсом Скоттом Кином, пропустил добавление сшивающего агента и использовал более высокую температуру при подготовке материала. К его удивлению, полученный образец оказался стабильным сам по себе - сшиватель не требовался.

"Это было скорее случайное открытие, потому что Сиддхарт опробовал процессы, сильно отличающиеся от стандартного рецепта, но образцы все равно получились прекрасными", - сказал Кин. "Мы такие: "Подождите! Правда?' Это побудило нас разобраться, почему и как это сработало".

Кин и его команда обнаружили, что нагрев PEDOT:PSS выше обычного порога не только делает его стабильным без необходимости в каких-либо сшивателях, но и позволяет создавать устройства более высокого качества. Этот метод, описанный в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, может упростить и повысить надежность изготовления биоэлектронных устройств с потенциальным применением в нейронных имплантатах, биосенсорах и вычислительных системах следующего поколения.

ПЕДОТ: PSS - это смесь двух полимеров: одного, который проводит электронный заряд и не растворяется в воде, и другого, который проводит ионный заряд и растворим в воде. Поскольку PEDOT: PSS проводит оба типа зарядов, он устраняет разрыв между живой тканью и технологией.

"Это позволяет вам, по сути, говорить на языке мозга", - сказал Кин, который исследует передовые материалы для создания электродов меньшего размера с высоким разрешением, способных как точно регистрировать, так и стимулировать нейронную активность.

Нервная система человека полагается на ионы - заряженные частицы, такие как натрий и калий, - для передачи сигналов, в то время как электронные устройства работают с электронами. Материал, способный обрабатывать и то, и другое, имеет решающее значение для нейронных имплантатов и других биоэлектронных устройств, которым необходимо преобразовывать биологическую активность в считываемые данные и посылать сигналы, не повреждая чувствительные ткани.

Благодаря исключению сшивающего агента результаты исследований не только упрощают процесс изготовления PEDOT: PSS, но и повышают его производительность. Новый метод позволяет получать материал с втрое более высокой электропроводностью и более постоянной стабильностью между партиями - ключевые преимущества для медицинского применения.

Сшиватель работал путем химического соединения двух типов полимерных нитей в PEDOT:PSS вместе, создавая взаимосвязанную сетку. Однако при этом все равно оставались открытыми некоторые водорастворимые нити - вероятная причина проблем со стабильностью. Кроме того, сшивающий агент привнес в материал изменчивость и потенциальную токсичность.

Напротив, более высокая температура стабилизирует PEDOT:PSS, вызывая фазовый переход в материале. При нагревании выше определенной температуры нерастворимый в воде полимер внутренне перестраивается, выталкивая водорастворимые компоненты на поверхность, где они могут быть смыты. Остается только более тонкая, чистая и стабильная проводящая пленка.

"Этот метод в значительной степени упрощает многие проблемы, с которыми сталкиваются люди, работающие с PEDOT:PSS", - сказал Кин. "Это также существенно устраняет потенциально токсичное химическое вещество".

Марго Форнер, докторантка Кембриджа, которая является первым автором статьи вместе с Доши, сказала, что термообработанные биоэлектронные устройства, такие как транзисторы, стимуляторы спинного мозга и электрокортикографические матрицы - имплантированные сетки или полоски нейроэлектродов, используемые для регистрации мозговой активности, - проще в изготовлении, надежнее и одинаково высокого качества. по сравнению с теми, которые изготовлены с использованием сшивателя.

"Устройства, изготовленные из термообработанного PEDOT: PSS, доказали свою надежность в хронических экспериментах in vivo, сохраняя стабильность более 20 дней после имплантации", - сказал Форнер. "Примечательно, что пленка сохраняла отличные электрические характеристики при растяжении, что подчеркивает ее потенциал для создания эластичных биоэлектронных устройств как внутри, так и снаружи организма".

Это открытие может помочь объяснить, почему предыдущие попытки использовать PEDOT:PSS в долговременных нейронных имплантатах, в том числе от Neuralink, наталкивались на проблемы со стабильностью. Сделав PEDOT: PSS более надежным, это открытие могло бы способствовать развитию нейротехнологий, включая имплантаты для восстановления движений после травм спинного мозга и интерфейсы, которые связывают мозг с внешними устройствами.

Помимо упрощения изготовления, команда нашла способ создавать из PEDOT:PSS микроскопические 3D-структуры - прорыв, который может еще больше улучшить биоэлектронные устройства. Используя высокоточный фемтосекундный лазер, исследователи могут выборочно нагревать участки материала, создавая пользовательские текстуры, которые улучшают взаимодействие клеток с устройствами.

"Мы действительно в восторге от возможности 3D-печати полимеров в микромасштабе", - сказал Доши. "Это было главной целью сообщества, поскольку написание этого функционального материала в 3D могло бы позволить вам взаимодействовать с трехмерным миром биологии. Как правило, это достигается путем сочетания PEDOT:PSS с различными светочувствительными связующими или смолами; однако эти добавки влияют на свойства материала или их сложно масштабировать до микронных размеров."

В прошлом исследовании Кин исследовал нанесение рисунков канавок на электроды, обнаружив, что клетки предпочтительно прилипают к канавкам в том же порядке, что и их длина. Другими словами, "20-микронной клетке нравится захватывать текстуры размером в 20 микрон", - сказал он.

Этот метод может быть использован для разработки нейронных интерфейсов, которые способствуют лучшей интеграции с окружающими тканями, улучшая качество сигнала и долговечность.

Кин также ранее исследовал PEDOT: PSS в контексте устройств нейроморфной памяти, используемых для ускорения алгоритмов искусственного интеллекта. Нейроморфная память - это тип искусственной памяти, который имитирует то, как мозг сохраняет информацию.

"Это в основном имитирует синаптическую пластичность вашего мозга", - сказал Кин. "Мы можем изменить соединение между двумя терминалами, контролируя, насколько проводящим является этот материал; это очень похоже на то, как ваш мозг учится, усиливая или ослабляя синаптические связи между отдельными нейронами".

Опровергнув давнее предположение, исследование не только упростило работу с PEDOT: PSS, но и сделало его более мощным - сдвиг, который мог бы ускорить разработку более безопасных и эффективных нейронных имплантатов и биоэлектронных систем.

Исследование было поддержано Стэнфордом, Meta, Альянсом Ву Цая по человеческим качествам в Стэнфорде, Фондом Джо и Клары Цай, Фондом Wellcome Trust, Национальным научным фондом (2026822, 1542152), Институтом Генри Ройса (EP/P024947/1, EP/R00661X/1), Соединенное Королевство Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам (EP/W017091/1) и Европейский союз (соглашение о гранте Марии Склодовской-Кюри № 101022365). Ответственность за содержание настоящего документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения спонсоров.

-