改良的软质材料有望改善生物电子学

　　科学界长期以来一直着迷于软生物电子器件的潜力，但在确定具有生物相容性并具有有效运行所需的所有必要特征的材料方面面临障碍。研究人员现在朝着正确的方向迈出了一步，他们修改了一种现有的生物相容性材料，使其在潮湿环境中有效地导电，并且可以发送和接收来自生物介质的离子信号。

　　他们的论文《静电自组装在PEDOT:高性能OECTs的PSS中诱导高效混合传输和水稳定性》发表在《物质》杂志上。

　　“我们谈论的是软生物电子材料在生物环境中有效发挥作用的能力的一个数量级的提高，”Aram Amassian说，他是一篇关于这项工作的论文的共同通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。“这不是渐进式的进步。”

　　有机生物电子学和有机电化学晶体管(OECTs)具有广泛的生物医学应用，引起了人们极大的兴趣。然而，一个限制因素是确定可以导电的无毒材料，与离子相互作用，这对于在生物环境中发挥作用至关重要，并且在生物系统的水、水基环境中有效运行。

　　人们感兴趣的一种材料是PEDOT:PSS，它是一种无毒的聚合物，能够导电。PEDOT:PSS用于制造薄膜，这种薄膜实际上是只有纳米宽的光纤网络。电流可以穿过纤维，纤维对环境中的离子也很敏感。

　　“我们的想法是，因为离子与纤维相互作用，并影响它们的导电性，pedot:PSS可以用来感知纤维周围发生的事情，”莱恩·陶西格说，他是该论文的第一作者之一，最近刚从北卡罗来纳州立大学获得博士学位，现在在空军研究实验室工作。

　　“从本质上讲，PEDOT:PSS将能够监测其生物环境。但我们也可以利用电流来影响PEDOT:PSS周围的离子，向生物环境发送信号，”共同第一作者Masoud Ghasemi说，他曾是北卡罗来纳州立大学的博士后，现在是宾夕法尼亚州立大学的博士后。

　　然而，当放置在水环境(如生物系统)中时，PEDOT:PSS的结构稳定性显著下降。这是因为PEDOT:PSS是一种由两种成分组成的单一材料:PEDOT，它导电且不溶于水;PSS对离子有反应，但它是水溶性的。换句话说，PSS使材料在与水接触时开始分解。

　　先前稳定PEDOT:PSS结构的努力已经能够帮助材料承受水环境，但这两者都损害了PEDOT:PSS作为导体的性能，并且使离子更难与材料的PSS成分相互作用。

　　“我们在这里的工作很重要，因为我们已经找到了一种新的方法来制造PEDOT:PSS，它在潮湿的环境中结构稳定，能够与离子相互作用并非常有效地导电，”剑桥大学菲利普亲王技术教授，共同通讯作者乔治·马利亚斯说。

　　具体来说，研究人员从溶液中的PEDOT:PSS开始，然后加入离子盐。随着时间的推移，离子盐与PEDOT:PSS相互作用，使其自组装成具有独特结构的纤维，在潮湿环境中保持稳定。然后将这种改性的PEDOT:PSS干燥，并将离子盐冲洗掉。

　　“我们已经知道离子盐会影响PEDOT:PSS，”Amassian说。“这里的新发现是，通过给离子盐更多的时间来观察这些效应的全部程度，我们修改了PEDOT和PSS的晶体结构，使它们基本上在分子尺度上排列在一起。这使得PSS不受环境中的水的影响，从而使PEDOT:PSS在分子水平上保持其结构稳定性。”

　　“这种变化也是分层的，这意味着从分子水平一直到宏观尺度都有变化，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学神户制钢所材料科学与工程杰出教授Yaroslava Yingling说。“离子盐使PEDOT:PSS本质上重新组织成一种类似于网状凝胶的相，可以在干燥和潮湿的环境中保存。”

　　除了在水环境中稳定外，所得到的薄膜还能保持其导电性。更重要的是，由于PEDOT和PSS紧密交织，离子很容易到达并与材料的PSS成分相互作用。

　　“我们在剑桥的合作者使用PEDOT:PSS的新阶段来创建oect，”Amassian说。这些oect在体积电容和电子载流子迁移率方面都树立了新的最先进的标准。换句话说，它是生物友好型电子产品的导电性和离子响应性的新黄金标准。”

　　“考虑到PEDOT:PSS是透明的、灵活的、可拉伸的、导电的和生物相容性的，潜在的应用范围是令人兴奋的——远远超出了生物医学领域，”宾夕法尼亚州立大学教授、共同通讯作者Enrique Gomez说。

　　该论文由北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理研究教授Albert Kwansa共同撰写;北卡罗来纳州立大学的博士生内森·伍德沃德;剑桥大学的Sanggil Han和Scott Keene;和布鲁克海文国家实验室的李瑞鹏。