Bioelektronika organiczna

Bryan D. Paulsen^{1, 2}, Alexander Giovannitti^{3, 4}, Vishak Venkatraman^{1, 2}, Jonathan Rivnay^{1, 2*}

¹Department of Biomedical Engineering, Northwestern University, Evanston, IL 60208, US, ²Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology, Northwestern University, Chicago, IL 60611, USA, ³Department of Chemistry, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK, ⁴epartment of Physics and Center for Plastic Electronics, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK

Material Matters, 2019, 14.1

jrivnay@northwestern.edu*

Sekcje artykułu

• Wprowadzenie
• Sprzężone polimerowe przewodniki mieszane
• Bioelektronika oparta na PEDOT:Bioelektronika oparta na PSS
• Glikolowane polimery sprzężone: Beyond PEDOT:PSS
• Wnioski

.Wprowadzenie

Bioelektronika, konwergencja biologii i elektroniki, ma na celu wykorzystanie mikroelektroniki do wykrywania, stymulowania i kontrolowania systemów biologicznych. Systemy biologiczne wykorzystują złożone mechanizmy molekularne i komórkowe do propagacji sygnałów poprzez ruch i akumulację ładunków jonowych (anionów i kationów). Tradycyjna mikroelektronika opiera się na metalach, nieorganicznych półprzewodnikach i dielektrykach tlenkowych, które propagują sygnały poprzez transport i akumulację ładunków elektronicznych (elektronów i dziur), co prowadzi do fundamentalnego niedopasowania w transmisji sygnału. Organiczne materiały bioelektroniczne mają znaczące zalety w porównaniu z tradycyjnymi półprzewodnikami i metalami, co czyni je doskonałymi kandydatami do interfejsów nowej generacji z systemami biologicznymi.^1,2 Materiały organiczne okazały się szczególnie skuteczne w interkonwersji sygnałów jonowych i elektronicznych, skutecznie łącząc jonowy świat biologii ze współczesną mikroelektroniką. Co więcej, materiały organiczne mogą być przetwarzane w roztworach, mogą tworzyć miękkie, elastyczne urządzenia, które są zgodne ze złożonymi krzywoliniowymi powierzchniami żywych organizmów i mogą zmniejszyć mechaniczne niedopasowanie między urządzeniami elektronicznymi a otaczającym materiałem biologicznym. W niniejszym artykule dokonujemy przeglądu ostatnich postępów w bioelektronice organicznej, podkreślając nowe materiały i zastosowania.

 

Sprzężone polimerowe przewodniki mieszane

W ramach szerszej dziedziny organicznych materiałów elektronicznych istnieje podzbiór głównie materiałów polimerowych, które są mieszanymi przewodnikami (zarówno jonowymi, jak i elektronicznymi), co czyni je szczególnie wydajnymi w zastosowaniach bioelektronicznych. Te sprzężone polimerowe przewodniki mieszane mogą efektywnie transportować ładunek zarówno poprzez transport dziur i/lub elektronów (przewodnictwo elektroniczne), jak i poprzez masowy transport jonów (przewodnictwo jonowe). Transport ładunku elektronicznego w tych materiałach odbywa się poprzez przeskakiwanie wzdłuż i pomiędzy π-sprzężonymi szkieletami łańcuchów polimerowych. Transport jonowy odbywa się poprzez interkalację i dryf lub dyfuzję jonów w pustych przestrzeniach między łańcuchami polimerowymi, przy czym pęcznienie polimerów w rozpuszczalniku często zwiększa łatwość ruchu jonów. Jednoczesny transport jonowy i elektroniczny nie jest jednak wystarczający do zastosowań bioelektronicznych. Co najważniejsze, musi również istnieć silne sprzężenie jonowo-elektroniczne, tak aby prądy jonowe mogły indukować prądy elektroniczne i odwrotnie. W sprzężonych polimerowych przewodnikach mieszanych dzieje się to poprzez proces redoks domieszkowania elektrochemicznego, w którym jony stabilizują ruchome ładunki elektroniczne wzdłuż szkieletu polimeru. W urządzeniach bioelektronicznych to sprzężenie jonowo-elektroniczne przejawia się jako konwersja lub transdukcja z biologicznych sygnałów jonowych na sygnały elektroniczne.

Organiczne mieszane przewodniki są szczególnie wydajnymi przetwornikami jonowo-elektronicznymi i oddziałują z systemami biologicznymi w sposób trójwymiarowy, co stanowi ulepszenie w stosunku do tradycyjnych materiałów metalowych lub półprzewodnikowych, które oddziałują z systemem biologicznym tylko przez dwuwymiarowy interfejs (rysunek 1A). Polimerowe przewodniki mieszane mogą pęcznieć i uzyskiwać dostęp do jonów i cząsteczek wody z ośrodka biologicznego w całej objętości polimeru, umożliwiając w ten sposób trójwymiarową powierzchnię interfejsu (rysunek 1B). Przepuszczalny polimer nie stanowi bariery jonowej na granicy faz materiał-elektrolit, znacznie zwiększając efektywną powierzchnię międzyfazową, jednocześnie unikając wielu komplikacji występujących na dyskretnych interfejsach ciało stałe-elektrolit, takich jak tlenki rodzime, zwisające wiązania, korozja i reorganizacja powierzchni. Biorąc to pod uwagę, ważną wartością dla mieszanych polimerów przewodzących jest pojemność objętościowa, C*, która jest miarą wielkości sprzężenia jonowo-elektronicznego na jednostkę objętości. Pojemność ta ma krytyczne znaczenie, ponieważ wielkość sprzężenia jonowo-elektronicznego bezpośrednio określa siłę przenoszenia sygnału jonowego na elektroniczny.³ Biorąc pod uwagę, że mieszane polimery przewodzące mają duże dostępne obszary powierzchni i duże pojemności objętościowe (w przeciwieństwie do tradycyjnych materiałów mikroelektronicznych o ograniczonych obszarach powierzchni i niskich pojemnościach objętościowych), sondy biologiczne wytwarzane z polimerów mogą mieć o rzędy wielkości wyższą pojemność, niższą impedancję międzyfazową, a tym samym znacznie lepszą transdukcję sygnału w porównaniu z sondami metalowymi lub półprzewodnikowymi o identycznej objętości.

Rysunek 1. Schemat różnych interfejsów bioelektronicznych. A) Dwuwymiarowy interfejs o wysokiej impedancji na elektrodzie nieprzepuszczalnej dla jonów. B) Trójwymiarowy interfejs o niskiej impedancji w elektrodzie z mieszanym przewodnikiem. C) Ten sam mieszany przewodnik włączony do organicznych tranzystorów elektrochemicznych (OECT).

Poza efektem objętościowym, sprzężone polimerowe przewodniki mieszane mogą być stosowane jako materiał kanałowy w urządzeniach do nagrań biologicznych, takich jak organiczne tranzystory elektrochemiczne (OECT). Tranzystory to przełączniki elektryczne, w których półprzewodnik jest modulowany między stanem przewodzenia (włączony) a stanem rezystywnym (wyłączony). W OECT mechanizm domieszkowania elektrochemicznego, który pozwala na wydajną transdukcję prądu jonowego na elektroniczny, moduluje również przewodnictwo elektryczne sprzężonego polimeru. Siła tego efektu, zmiana przewodnictwa wraz ze zmianą gęstości ładunku objętościowego, jest reprezentowana jako transkonduktancja (g_m). W architekturze OECT połączonej ze środowiskiem biologicznym, przewodność elektryczna mieszanej warstwy przewodnika może być monitorowana zamiast potencjału poprzez wykorzystanie transkonduktancji. Poprzez odpowiednie polaryzowanie OECT, zmiana przewodności indukowana przez sygnały biologiczne może być duża, zgodnie z transkonduktancją urządzenia, skutecznie wzmacniając sygnały biologiczne (rysunek 1C). Pozwala to pojedynczemu mieszanemu materiałowi przewodzącemu na jednoczesne wykonywanie skutecznej transdukcji i wzmacniania sygnałów biologicznych bezpośrednio na interfejsie biotyczno-abiotycznym.

Bioelektronika oparta na PEDOT:PSS

Dotychczas najczęściej stosowanym polimerowym przewodnikiem mieszanym w badaniach bioelektroniki organicznej był PEDOT:PSS. Szeroko stosowany w powłokach antystatycznych i organicznych badaniach fotowoltaicznych (OPV) od ponad dwóch dekad, PEDOT:PSS (nr kat. 900181, 655201, 739324) jest mieszaniną sprzężonego polimeru poli(3,4-etylenodioksytiofenu) (PEDOT) i polielektrolitu poli(styrenosulfonianu) (PSS). Część jednostek powtarzalnych PSS jest deprotonowana, a powstałe ujemnie naładowane jednostki sulfonianowe stabilizują dziury na PEDOT, skutecznie go domieszkując w celu wytworzenia elektrycznie przewodzącego kompozytu. PEDOT:PSS i inne atramenty na bazie PEDOT (nr kat. 900442, 901047, 675288) są zwykle formułowane jako dyspersje; po odlaniu w folię materiały wykazują przewodność w zakresie 10-1 000 S cm^-1 w zależności od składu i dodatków do przetwarzania. W stanie cienkowarstwowym PEDOT:PSS tworzy morfologię w mikroskali mieszanych faz bogatych w PEDOT i PSS. PSS łatwo pęcznieje pod wpływem wody, zapewniając w ten sposób wydajne ścieżki transportu jonów w warstwach PEDOT:PSS. Ze względu na wysoką mieszalność PSS z wodą, środki sieciujące są często niezbędne, aby zapobiec ponownej dyspersji i utrzymać stabilność folii. Podczas gdy szerokie zastosowanie PEDOT:PSS jest częściowo spowodowane jego komercyjną dostępnością, materiały na bazie PEDOT syntetyzowane poprzez elektropolimeryzację i polimeryzację w fazie gazowej zostały również skutecznie wykorzystane w zastosowaniach bioelektronicznych.

Materiały na bazie PEDOT zostały włączone do szerokiej gamy urządzeń i aplikacji, z których tylko krótki wybór może być tutaj omówiony (Rysunek 2). Do pomiaru i rejestracji sygnałów biologicznych, PEDOT:PSS wbudowany w struktury OECT został zastosowany zarówno w wysokiej jakości elektroencefalografii (EEG)⁴ oraz w konformalnych macierzach w elektrokortykografii podczaszkowej (EGoG).⁵ Wzrost biologiczny został zmierzony poprzez zastosowanie rusztowań komórkowych PEDOT:PSS do pomiaru wzrostu, ruchliwości lub pokrycia komórek poprzez zmiany impedancji.⁶ Oprócz pomiaru aktywności biologicznej, materiały na bazie PEDOT mogą również kontrolować i stymulować aktywność biologiczną. Stosowany jako podłoże komórkowe, stan redoks PEDOT:Tosylate może być dostosowany do kontrolowania adhezji i gęstości komórek nabłonkowych i nerwowych komórek macierzystych.^7,8 W konfiguracji OECT, PEDOT:PSS może depolaryzować lokalne błony neuronalne generując potencjały czynnościowe. Dodatkowo, te PEDOT:PSS OECT mogą być wytwarzane na rozwarstwiających się elastycznych sondach parylenowych, które mogą przebywać in vivo przez miesiąc bez bliznowacenia gleju, zmniejszając ich skuteczność elektrody stymulującej ze względu na zmniejszone niedopasowanie mechaniczne między sondą a otaczającą tkanką mózgową.⁹

 

Rysunek 2. Struktura PEDOT:PSS i przykłady zastosowań w rejestracji i stymulacji elektrycznej. Wykrywanie sygnałów biologicznych za pomocą EGoG i EEG, stymulowanie lokalnych potencjałów czynnościowych neuronów poprzez depolaryzację prądami elektrycznymi oraz kierowanie wzrostem komórek za pomocą substratów przełączalnych redoks.

Podczas stymulacji materiału biologicznego, sygnał elektryczny jest przekształcany w sygnał jonowy, gdzie prądy jonowe składają się z gatunków jonów obecnych w środowisku biologicznym. W niektórych zastosowaniach pożądane jest indukowanie prądu określonego gatunku jonów, zwłaszcza w zastosowaniach neurologicznych, w których aktywność neuronów jest bramkowana przez kanały specyficzne dla jonów lub neuroprzekaźników. Mając na uwadze to zastosowanie, PEDOT:PSS został wykorzystany w organicznych elektronicznych pompach jonowych.¹⁰ Pompy jonowe napędzają kationy ze zbiornika, poprzez membranę kationowymienną (CEM), taką jak PSS (nr kat. 243051, 434574) lub poli(sulfonian styrenuco-kwas maleinowy) (PSSA-co-MA) do miejsca zainteresowania (rysunek 3A). Geometria pompy jonowej jest określana przez wzornictwo litograficzne, a miejsce dostarczania kationów można określić w skali mikronowej. Aby wytworzyć potencjał napędowy, materiał elektrody jest niezbędny do działania jako utleniające źródło w zbiorniku kationów i redukowalny zlew w środowisku dostarczania, zbiorniku powrotnym lub odpadach.

Rysunek 3. Uwalnianie substancji chemicznych za pomocą organicznych elektronicznych pomp jonowych (OEIP). A) Schemat pompy jonowej opartej na PEDOT:PSS wykonującej lokalne dostarczanie neuroprzekaźnika hamującego GABA i B) typowa odpowiedź pokazująca tłumienie nadpobudliwego wycinka mózgu za pomocą dostarczania OEIP GABA.¹¹

Pojemność objętościowa PEDOT:PSS czyni go idealnym materiałem elektrody redoks dla pomp jonowych i umożliwiła dostarczanie odpowiednich stężeń jonów w celu modulowania aktywności neuronalnej.¹¹ W szczególności odnotowano tłumienie aktywności padaczkowej w plastrach hipokampa in vitro.¹¹ PEDOT:PSS był w stanie dostarczyć wystarczające ilości inhibitora neuroprzekaźnika kwasu λ-aminobutanowego (nr kat.A2129), powszechnie znanego jako GABA, do tłumienia aktywności padaczkowej indukowanej różnymi technikami (rysunek 3B). Pokazało to bezpośrednie jonowe dostarczanie GABA jako pozornie ogólną metodę tłumienia aktywności padaczkowej bez stresorów rozpuszczalnikowych lub osmotycznych związanych z dostarczaniem płynów. Co więcej, dostarczanie GABA za pomocą pompy jonowej było wysoce specyficzne dla miejsca, bez zmierzonego hamowania GABA w sąsiednich obszarach hipokampa. Dostarczanie GABA przez pompę jonową wykazano in vivo, z pompami jonowymi wykonującymi zlokalizowane korowe i rdzeniowe dostarczanie GABA u żywych zwierząt testowych.^{12, 13} Wraz z tymi zastosowaniami, materiały oparte na PEDOT przyczyniły się do postępu w sztucznych mięśniach (siłownikach),¹⁴ przełączalnych powierzchni,¹⁵ oraz urządzeń biomimetycznych, takich jak sztuczne synapsy dla neuromorficznych urządzeń komputerowych.¹⁶

Połączenie wysokiej przewodności elektrycznej i jonowej PEDOT:PSS, wraz z jego komercyjną dostępnością, doprowadziło do szerokiego zastosowania PEDOT:PSS w dziedzinie bioelektroniki dla materiałów organicznych. Pomimo swojego sukcesu, PEDOT:PSS ma nieodłączne właściwości, które ograniczają jego zastosowanie. Po pierwsze, PEDOT:PSS jest wyłącznie materiałem typu p, co oznacza, że transport ładunku elektronicznego odbywa się wyłącznie poprzez przewodzenie dziur. W przeciwieństwie do tego, materiały typu n są przewodnikami elektronów lub materiałami ambipolarnymi, które mogą obsługiwać zarówno przewodniki dziur, jak i elektronów. Co więcej, PEDOT:PSS jest naturalnie materiałem w trybie zubożenia, co oznacza, że domyślnie znajduje się w stanie przewodzenia elektrycznego i może być elektrochemicznie przełączony w stan nieprzewodzący. Jest to przeciwieństwo materiałów w trybie akumulacji lub wzmocnienia, które domyślnie są w stanie nieprzewodzącym, ale mogą być przełączane elektrochemicznie w stan przewodzący. Dlatego też PEDOT:PSS nie jest odpowiednim materiałem dla dużej liczby zastosowań, które wymagają materiałów typu n i/lub akumulacyjnych.

 

Glikolowane polimery sprzężone: Beyond PEDOT:PSS

Ze względu na nieodłączne ograniczenia PEDOT:PSS, trwały postęp w dziedzinie bioelektroniki organicznej wymaga opracowania nowych materiałów. Odchodząc od mieszanek oddzielnych polimerów przewodzących jony i elektronikę, ostatnie udane podejścia zaowocowały materiałami jednoskładnikowymi, które skutecznie pełnią zarówno funkcje transportu elektronicznego, jak i jonowego. W polimerach przewodzących prąd elektryczny, π-koniugacja szkieletu jest wymagana do efektywnego transportu ładunku. Dlatego syntetyczne drogi projektowania w celu poprawy transportu jonów zwróciły się ostatnio w kierunku inżynierii łańcuchów bocznych polimerów. Podczas opracowywania organicznych materiałów elektronicznych, alkilowe łańcuchy boczne zostały po raz pierwszy dodane do sprzężonych polimerów w celu zwiększenia ich rozpuszczalności w rozpuszczalnikach organicznych i poprawy przetwarzalności. Ostatecznie inżynieria łańcuchów bocznych stała się skuteczną drogą do kierowania mikrostrukturą i morfologią polimerów, kontrolując w ten sposób właściwości elektroniczne. Ze względu na moc inżynierii łańcuchów bocznych, ¹⁷ prace w tym obszarze rozkwitły.

Do tej pory zgłoszone wysiłki inżynierii łańcuchów bocznych w celu wywołania przewodnictwa jonowego generalnie podążały jedną z dwóch dróg. Pierwsza z nich, szerzej zbadana, wykorzystuje łańcuchy boczne do wiązania jonów do szkieletu polimeru, tworząc sprzężony polielektrolit.^18,19 Druga, niedawno opracowana droga, wykorzystuje zastąpienie typowo alkilowych łańcuchów bocznych sprzężonych polimerów łańcuchami bocznymi glikolu oligoetylenowego, składającymi się z powtarzających się CH₂-CH₂-O (glikolowe łańcuchy boczne). Te glikolowe łańcuchy boczne zawierają polarne eterowe oksygeny, które łatwo koordynują zarówno z jonami, jak i wodą, podobnie jak zachowuje się stały elektrolit polimerowy glikol polietylenowy.

Skoniugowane polimery glikolowe do zastosowań w bioelektronice wykorzystują ten sam zestaw narzędzi syntetycznych, co najnowocześniejsze polimery stosowane w tranzystorach polowych i fotowoltaice. Monomery zostały sfunkcjonalizowane polarnymi łańcuchami bocznymi glikolu przed polimeryzacją, a następnie polimeryzacja została przeprowadzona przy użyciu reakcji sprzęgania C-C powszechnie stosowanych w polimerach sprzężonych, takich jak sprzęganie Stille'a lub Suzuki. Metody te zostały wykorzystane do wytworzenia nowej rodziny glikolowanych sprzężonych polimerów, które są prawdziwymi jednoskładnikowymi mieszanymi przewodnikami, które są przetwarzalne w roztworze z popularnych rozpuszczalników organicznych, stabilne w warunkach wodnych bez sieciowania, działają jako materiały w trybie akumulacji i (w zależności od chemii szkieletu) wykazują zachowanie typu p lub n.

Chociaż glikolowane sprzężone polimery do zastosowań w bioelektronice zostały zgłoszone dopiero niedawno, ich korzystne właściwości już umożliwiły poprawę wydajności urządzeń i umożliwiły nowe możliwości w bioelektronice. Na przykład, dwa nowo zsyntetyzowane glikolowane politiofeny osiągnęły podobno wyższe C* i transkonduktancję g_m niż PEDOT:PSS w równoważnych urządzeniach.^3,20 W przypadku poli(2-(3,3′-bis(2-(2-(2-(metoksyetoksy)etoksy)etoksy)-[2,2'-bitiofen]-5-ylo)tieno[3,2-b]tiofen), p(g2T-TT), zsyntetyzowano polimery równoważne alkilowemu łańcuchowi bocznemu i przetestowano je w celu jednoznacznego wykazania roli, jaką łańcuch boczny odgrywa w określaniu korzystnego transportu jonowego do warstwy polimerowej.²¹

Podobnie jak w przypadku PEDOT:PSS, wysokowydajny p(g2T-TT) okazał się być materiałem typu p, ale w przeciwieństwie do PEDOT:PSS, działa jako materiał w trybie akumulacji. Pozwoliło to na pierwszą demonstrację biosensora OECT działającego w reżimie podprogowym. ²² W OECT, które działają jako prawdziwe przełączniki, reżim podprogowy jest miejscem, w którym początkowy wykładniczy wzrost przewodności występuje podczas przełączania, poprzez potencjał elektrochemiczny, ze stanu OFF (wysoce rezystancyjny) do stanu ON (wysoce przewodzący). Działając w tym reżimie, obwody czujnikowe zawierające OECT oparte na p(g2T-TT) wytwarzały wysokie wzmocnienie napięcia (transdukcja sygnału biologicznego) przy bardzo niskim zużyciu energii. Jest to ważne, ponieważ niskie zużycie energii jest wymagane w przypadku wszczepialnych czujników i urządzeń. Należy zauważyć, że reżim podprogowy nie jest dostępny w urządzeniach opartych na PEDOT:PSS, ponieważ potencjał elektrochemiczny wymagany do wyłączenia przewodnictwa PEDOT:PSS przekracza granice stabilności (okno elektrochemiczne) wody. Skuteczność reżimu podprogowego dla czujników biologicznych została zweryfikowana poprzez pomiar sygnałów EEG. Czujnik EEG OECT wykazał poprawę siły sygnału o dwa rzędy wielkości w porównaniu z komercyjnymi elektrodami medycznymi. Ponieważ OECT oparte na p(g2T-TT) działają w trybie akumulacji, mogą się naprawdę wyłączyć. W związku z tym nadają się do stosowania w matrycach wielosensorowych, w których poszczególne czujniki OECT są włączane i "odczytywane" w sekwencji. W połączeniu z niskim poborem mocy w trybie podprogowym, p(g2T-TT) OECT stanowią ekscytującą perspektywę dla nowej generacji, przenośnych matryc biosensorycznych o niskim poborze mocy.

Użycie glikolowych łańcuchów bocznych doprowadziło do opracowania mieszanych przewodników polimerowych typu n. Ogólnie rzecz biorąc, stabilne, wydajne materiały sprzężone transportujące elektrony typu n są rzadziej opisywane niż ich odpowiedniki typu p. Ogólnie rzecz biorąc, tlen i wilgoć są niekompatybilne ze stabilnym zachowaniem typu n, dlatego często wymagana jest pełna produkcja i testowanie w obojętnym środowisku w rękawicach. Z tego powodu aplikacje wymagające materiałów typu n często opierały się na nanorurkach węglowych (nr kat. 901046, 901056, 901082, 755125, 791490, 791504, 792462), tlenki metali lub bardziej egzotyczne materiały 2D (Nr kat. Nr kat. 901940, 763705, 763713). Tak więc, bardzo ekscytujące jest to, że projekt sprzężonych polimerowych przewodników mieszanych typu n wytworzył materiały, które działają w wodnych elektrolitach w warunkach otoczenia z wysokim stopniem stabilności. Seria polimerowych mieszanych przewodników typu n na bazie naftalenodiimidu (NDI, 766038), bithiophene (T2, Cat. No. 241636, 577812, 733725, 515493) i powtarzających się jednostek alkoksybitiofenu (gT2).^23,24 Co ciekawe, statystyczne kopolimery zawierające 90% glikolowanych jednostek NDI i 10% alkilowanych jednostek NDI (rysunek 4) wykazały lepszą wydajność niż polimery całkowicie glikolowane. Podobnie jak w przypadku p(g2T-TT) omówionych powyżej, te polimery typu n również zachowują się jak materiały w trybie akumulacji.

Aby wykorzystać zachowanie typu n i trybu akumulacji, 90% glikolowany kopolimer (P-90) został zastosowany jako elektrochemiczny czujnik enzymatyczny²⁵ do wykrywania transferu ładunku z enzymu do mieszanej warstwy przewodnika, gdy docelowy substrat był metabolizowany.

Rysunek 4. A) Krzywa transferu i znormalizowana transkonduktancja podkreślająca podprogowy obszar nachylenia OECT w trybie akumulacji typu p(g2T-TT),22 z wstawioną strukturą chemiczną p(g2T-TT). B) Struktura chemiczna kopolimeru statystycznego P-90 opartego na NDI 2T typu n. C) Zależny od stężenia mleczanu prąd drenu (ID) tranzystora akumulacyjnego typu n opartego na P-90. Wstawka: Czułość mikromolowa mleczanu i schemat enzymatycznego mechanizmu elektrochemicznego modulacji prądu drenu (przewodnictwa) zależnego od stężenia mleczanu.²⁵

Aby taki transfer ładunku mógł mieć miejsce, mieszany przewodnik musi być aktywny redoks w tym samym zakresie potencjałów elektrochemicznych co enzym. W przypadku oksydazy mleczanowej, która ulega redukcji przy dodatnich potencjałach, wymaga to polimerowego przewodnika mieszanego typu n. Podczas przekształcania mleczanu w pirogronian, enzym oksydaza mleczanowa (nr kat. L9795) skutecznie przenosił ładunek na kopolimer P-90. Z kolei ten transfer ładunku modulował przewodnictwo P-90 proporcjonalnie do stężenia mleczanu. Działając jako czujnik OECT, lokalne wzmocnienie transferu ładunku enzymu do P-90 pozwoliło czujnikom w skali mikrometrowej wykrywać stężenia mleczanu do poziomu mikromolarnego.

Wnioski

Materiały organiczne są potężnymi narzędziami na arenie bioelektroniki, ze względu na ich zdolność do mieszanego przewodnictwa jonowego i elektronicznego. Mieszane przewodnictwo pozwala na znaczną poprawę zarówno transdukcji, jak i wzmocnienia sygnałów biologicznych. Takie zalety zostały najszerzej wykorzystane przy użyciu materiałów opartych na PEDOT, w szczególności dostępnego na rynku PEDOT:PSS. Niedawny rozwój nowych sprzężonych polimerów z polarnymi łańcuchami bocznymi glikolu przyniósł znaczny wzrost wydajności w porównaniu z PEDOT:PSS i otworzył nowe zastosowania w elektrochemicznym wykrywaniu enzymatycznym i pomiarach elektrofizjologicznych o niskiej mocy. Jednak dziedzina mieszanych przewodników ze sprzężonych polimerów, zwłaszcza tych z glikolowymi łańcuchami bocznymi, pozostaje stosunkowo nowa, z wieloma nowymi materiałami i zastosowaniami, które należy opracować, aby podnieść dziedzinę bioelektroniki organicznej na wyższy poziom.

Referencje

1. Rivnay J, Owens RM, Malliaras GG. 2014. The Rise of Organic Bioelectronics. Chem. Mater.. 26(1):679-685. https://doi.org/10.1021/cm4022003

2. Inal S, Rivnay J, Suiu A, Malliaras GG, McCulloch I. 2018. Conjugated Polymers in Bioelectronics. Acc. Chem. Res.. 51(6):1368-1376. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.7b00624

3. Inal S, Malliaras GG, Rivnay J. 2017. Benchmarking organic mixed conductors for transistors. Nat Commun. 8(1): https://doi.org/10.1038/s41467-017-01812-w

4. Rivnay J, Leleux P, Ferro M, Sessolo M, Williamson A, Koutsouras DA, Khodagholy D, Ramuz M, Strakosas X, Owens RM, et al. 2015. High-performance transistors for bioelectronics through tuning of channel thickness. Sci. Adv.. 1(4):e1400251. https://doi.org/10.1126/sciadv.1400251

5. Khodagholy D, Rivnay J, Sessolo M, Gurfinkel M, Leleux P, Jimison LH, Stavrinidou E, Herve T, Sanaur S, Owens RM, et al. 2013. High transconductance organic electrochemical transistors. Nat Commun. 4(1): https://doi.org/10.1038/ncomms3133

6. Inal S, Hama A, Ferro M, Pitsalidis C, Oziat J, Iandolo D, Pappa A, Hadida M, Huerta M, Marchat D, et al. 2017. Conducting Polymer Scaffolds for Hosting and Monitoring 3D Cell Culture. Adv. Biosys.. 1(6):1700052. https://doi.org/10.1002/adbi.201700052

7. Saltó C, Saindon E, Bolin M, Kanciurzewska A, Fahlman M, Jager EWH, Tengvall P, Arenas E, Berggren M. 2008. Control of Neural Stem Cell Adhesion and Density by an Electronic Polymer Surface Switch. Langmuir. 24(24):14133-14138. https://doi.org/10.1021/la8028337

8. Svennersten K, Bolin MH, Jager EW, Berggren M, Richter-Dahlfors A. 2009. Electrochemical modulation of epithelia formation using conducting polymers. Biomaterials. 30(31):6257-6264. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.07.059

9. Williamson A, Rivnay J, Kergoat L, Jonsson A, Inal S, Uguz I, Ferro M, Ivanov A, Sjöström TA, Simon DT, et al. 2015. Controlling Epileptiform Activity with Organic Electronic Ion Pumps. Adv. Mater.. 27(20):3138-3144. https://doi.org/10.1002/adma.201500482

10. Isaksson J, Kjäll P, Nilsson D, Robinson N, Berggren M, Richter-Dahlfors A. 2007. Electronic control of Ca2+ signalling in neuronal cells using an organic electronic ion pump. Nature Mater. 6(9):673-679. https://doi.org/10.1038/nmat1963

11. Williamson A, Rivnay J, Kergoat L, Jonsson A, Inal S, Uguz I, Ferro M, Ivanov A, Sjöström TA, Simon DT, et al. 2015. Controlling Epileptiform Activity with Organic Electronic Ion Pumps. Adv. Mater.. 27(20):3138-3144. https://doi.org/10.1002/adma.201500482

12. Uguz I, Proctor CM, Curto VF, Pappa A, Donahue MJ, Ferro M, Owens RM, Khodagholy D, Inal S, Malliaras GG. 2017. A Microfluidic Ion Pump for In Vivo Drug Delivery. Adv. Mater.. 29(27):1701217. https://doi.org/10.1002/adma.201701217

13. Jonsson A, Song Z, Nilsson D, Meyerson BA, Simon DT, Linderoth B, Berggren M. 2015. Therapy using implanted organic bioelectronics. Sci. Adv.. 1(4):e1500039. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500039

14. Smela E. 2003. Conjugated Polymer Actuators for Biomedical Applications. Adv. Mater.. 15(6):481-494. https://doi.org/10.1002/adma.200390113

15. Döbbelin M, Tena-Zaera R, Marcilla R, Iturri J, Moya S, Pomposo JA, Mecerreyes D. 2009. Multiresponsive PEDOT-Ionic Liquid Materials for the Design of Surfaces with Switchable Wettability. Adv. Funct. Mater.. 19(20):3326-3333. https://doi.org/10.1002/adfm.200900863

16. van de Burgt Y, Lubberman E, Fuller EJ, Keene ST, Faria GC, Agarwal S, Marinella MJ, Alec Talin A, Salleo A. 2017. A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing. Nature Mater. 16(4):414-418. https://doi.org/10.1038/nmat4856

17. Jiang H, Taranekar P, Reynolds J, Schanze K. 2009. Conjugated Polyelectrolytes: Synthesis, Photophysics, and Applications. Angew. Chem. Int. Ed.. 48(24):4300-4316. https://doi.org/10.1002/anie.200805456

18. Mei J, Bao Z. 2014. Side Chain Engineering in Solution-Processable Conjugated Polymers. Chem. Mater.. 26(1):604-615. https://doi.org/10.1021/cm4020805

19. Zeglio E, Schmidt MM, Thelakkat M, Gabrielsson R, Solin N, Inganäs O. 2017. Conjugated Polyelectrolyte Blends for Highly Stable Accumulation-Mode Electrochemical Transistors. Chem. Mater.. 29(10):4293-4300. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00474

20. Nielsen CB, Giovannitti A, Sbircea D, Bandiello E, Niazi MR, Hanifi DA, Sessolo M, Amassian A, Malliaras GG, Rivnay J, et al. 2016. Molecular Design of Semiconducting Polymers for High-Performance Organic Electrochemical Transistors. J. Am. Chem. Soc.. 138(32):10252-10259. https://doi.org/10.1021/jacs.6b05280

21. Giovannitti A, Sbircea D, Inal S, Nielsen CB, Bandiello E, Hanifi DA, Sessolo M, Malliaras GG, McCulloch I, Rivnay J. 2016. Controlling the mode of operation of organic transistors through side-chain engineering. Proc Natl Acad Sci USA. 113(43):12017-12022. https://doi.org/10.1073/pnas.1608780113

22. Venkatraman V, Friedlein JT, Giovannitti A, Maria IP, McCulloch I, McLeod RR, Rivnay J. 2018. Subthreshold Operation of Organic Electrochemical Transistors for Biosignal Amplification. Adv. Sci.. 5(8):1800453. https://doi.org/10.1002/advs.201800453

23. Giovannitti A, Nielsen CB, Sbircea D, Inal S, Donahue M, Niazi MR, Hanifi DA, Amassian A, Malliaras GG, Rivnay J, et al. 2016. Erratum: N-type organic electrochemical transistors with stability in water. Nat Commun. 7(1): https://doi.org/10.1038/ncomms13955

24. Giovannitti A, Thorley KJ, Nielsen CB, Li J, Donahue MJ, Malliaras GG, Rivnay J, McCulloch I. 2018. Redox-Stability of Alkoxy-BDT Copolymers and their Use for Organic Bioelectronic Devices. Adv. Funct. Mater.. 28(17):1706325. https://doi.org/10.1002/adfm.201706325

25. Pappa AM, Ohayon D, Giovannitti A, Maria IP, Savva A, Uguz I, Rivnay J, McCulloch I, Owens RM, Inal S. 2018. Direct metabolite detection with an n-type accumulation mode organic electrochemical transistor. Sci. Adv.. 4(6):eaat0911. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat0911