Şans Discovery, Rice Üniversitesi, Cambridge Üniversitesi ve Stanford Üniversitesi’nden bir bilim adamı ekibine, tıbbi araştırma ve bilgi işlem uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir materyalin üretimini kolaylaştırmaya yönlendirdi.
Yirmi yılı aşkın bir süredir, PEDOT: PSS olarak bilinen kompozit bir malzemeyle çalışan bilim adamları, iletken polimeri suda stabil hale getirmek için kimyasal bir çapraz bağ kullandılar. Biyomedikal optiklerdeki uygulamalar için materyali kesin olarak desenlemenin yollarını denerken, Stanford’da bir doktora öğrencisi olan Siddharth Doshi, pirinç malzemeleri bilimcisi Scott Keene ile işbirliği yaptı ve malzemeyi hazırlarken daha yüksek bir sıcaklık kullandı. Şaşırtıcı bir şekilde, ortaya çıkan örnek kendi başına kararlı olduğu ortaya çıktı – çapraz bağlayıcıya gerek yoktu.
Keene, “Siddharth, standart tariften çok farklı süreçleri deniyordu, ancak örnekler hala iyi çıktı.” Dedi. “Biz, ‘Bekle! Gerçekten mi?’ Bu, bunun neden ve nasıl işe yaradığına bakmamızı sağladı. “
Keene ve ekibinin bulduğu şey, pedotun ısıtılmasıydı: olağan eşiğin ötesinde PSS, onu herhangi bir çapraz bağlama gerek olmadan sabitlemekle kalmaz, aynı zamanda daha yüksek kaliteli cihazlar da oluşturur. Bu yöntem, son zamanlarda yayınlanan bir çalışmada açıklanan Gelişmiş malzemeler, Nöral implantlar, biyosensörler ve yeni nesil bilgi işlem sistemlerindeki potansiyel uygulamalarla biyoelektronik cihaz üretimini kolay ve daha güvenilir hale getirebilir.
PEDOT: PSS, biri elektronik yükü yürüten ve suda çözülmeyen, diğeri iyonik yükü yürüten ve suda çözünür olan iki polimerin bir karışımıdır. Her iki suçlama da yürüttüğü için PEDOT: PSS, canlı doku ve teknoloji arasındaki boşluğu doldurur.
Nöral aktiviteyi hassasiyetle kaydedebilecek hem de nöral aktiviteyi kaydedebilen daha küçük, yüksek çözünürlüklü elektrotlar için gelişmiş malzemeler araştıran Keene, “Esasen beynin dilini konuşmanıza izin veriyor” dedi.
İnsan sinir sistemi, sinyalleri iletmek için iyonlara – sodyum ve potasyum gibi yüklü parçacıklara – dayanırken, elektronik cihazlar elektronlarla çalışır. Her ikisini de işleyebilen bir malzeme, nöral implantlar ve biyolojik aktiviteyi okunabilir verilere çevirmesi ve hassas dokuya zarar vermeden sinyaller göndermesi gereken diğer biyoelektronik cihazlar için çok önemlidir.
Çapraz bağlantıyı ortadan kaldırarak, araştırma bulguları sadece PEDOT: PSS imalat sürecini kolaylaştırmakla kalmaz, aynı zamanda performansını da artırmaktadır. Yeni yöntem, üç kat daha yüksek elektriksel iletkenlik ve gruplar arasında daha tutarlı bir stabilite olan bir malzeme üretir – tıbbi uygulamalar için anahtar avantajları.
Çapraz bağlanma, Pedot’taki iki tür polimer ipliğini kimyasal olarak bağlayarak çalıştı: PSS birbirine bağlı bir ağ oluşturdu. Bununla birlikte, hala suda çözünür iplerin bazılarını açığa çıkardı-istikrar sorunlarının olası bir nedeni. Ayrıca, çapraz bağlayıcı malzemede değişkenlik ve potansiyel toksisite getirmiştir.
Aksine, daha yüksek ısı, malzemede bir faz değişikliğine neden olarak PEDOT: PSS’yi stabilize eder. Belli bir sıcaklığın ötesinde ısıtıldığında, suda çözünmeyen polimer dahili olarak yeniden düzenlenir ve suda çözünen bileşenleri yıkanabilecekleri yüzeye iter. Geriye kalan, daha ince, daha saf ve daha istikrarlı bir film.
Keene, “Bu yöntem, insanların PEDOT: PSS ile çalıştığı bu sorunların çoğunu basitleştiriyor.” Dedi. “Aynı zamanda potansiyel olarak toksik bir kimyasalları da ortadan kaldırıyor.”
Doshi ile birlikte kağıt üzerinde ilk yazar olan Cambridge’de doktora öğrencisi olan Margaux Forner, transistörler, omurilik stimülatörleri ve elektrokortikografi dizileri-implante edilmiş ızgaralar veya beyin aktivitesini kaydetmek için kullanılan nöroelektrotların imtiyazlı ızgaraları veya daha kolay bir şekilde kullanıldığını, daha kolay bir şekilde kullanıldığını söyledi.
Forner, “Isı ile işlenmiş Pedot: PSS’den yapılan cihazlar, kronik in vivo deneylerde sağlam olduğunu ve implantasyondan 20 günden fazla bir süre istikrarı koruduğunu kanıtladı.” Dedi. “Özellikle, film gerildiğinde mükemmel elektriksel performans sürdürdü ve hem vücut içinde hem de dışındaki dayanıklı biyoelektronik cihazlar potansiyelini vurguladı.”
Bulgu, PEDOT’u kullanma çabalarının neden Nevralink tarafından da dahil olmak üzere uzun süreli nöral implantlarda neden kullanma çabalarının istikrar sorunlarına girdiğini açıklamaya yardımcı olabilir. Pedot: PSS’yi daha güvenilir hale getirerek, bu keşif, omurilik yaralanmalarından sonra hareketi geri yükleme implantları ve beyni dış cihazlara bağlayan arayüzler de dahil olmak üzere nöroteknolojinin ilerletilmesine yardımcı olabilir.
Takım basitleştirmenin ötesinde, Pedot: PSS’yi mikroskobik 3D yapılara dönüştürmenin bir yolunu buldu – biyoelektronik cihazları daha da iyileştirebilecek bir atılım. Yüksek hassasiyetli bir femtosaniye lazeri kullanarak, araştırmacılar malzemenin bölümlerini seçici olarak ısıtabilir ve hücrelerin cihazlarla nasıl etkileşime girdiğini arttıran özel dokular oluşturabilirler.
Doshi, “Mikro ölçekte polimerleri 3D basma yeteneği konusunda gerçekten heyecanlıyız.” Dedi. “Bu fonksiyonel materyali 3D’de yazmanın biyolojinin 3D dünyasıyla arayüz oluşturmasına izin verebileceği için topluluk için önemli bir hedef olmuştur. Tipik olarak, PEDOT: PS’leri farklı ışığa duyarlı bağlayıcılar veya reçinelerle birleştirerek yapılır; ancak bu eklemeler malzemenin özelliklerini etkiler veya mikron uzunluk ölçeklerine ölçeklendirmeye zorlanır.”
Geçmiş araştırmalarda Keene, desenli olukları elektrotlara araştırdı ve hücrelerin tercihen uzunluk ölçeğiyle aynı sırada oluklara yapıştığını buldu. Başka bir deyişle, “20 mikron hücre, 20 mikron boyutlu dokuları almayı sever” dedi.
Bu teknik, çevreleyen doku ile daha iyi entegrasyonu teşvik eden, sinyal kalitesini ve uzun ömürlülüğü iyileştiren sinir arayüzleri tasarlamak için kullanılabilir.
Keene ayrıca yapay zeka algoritmalarını hızlandırmak için kullanılan nöromorfik bellek cihazları bağlamında PEDOT: PSS’yi daha önce araştırmıştı. Nöromorfik bellek, beynin bilgiyi nasıl tuttuğunu taklit eden bir yapay bellek türüdür.
Keene, “Temel olarak beyninizin sinaptik plastisitesini taklit ediyor,” dedi. “Bu materyalin ne kadar iletken olduğunu kontrol ederek iki terminal arasındaki bağlantıyı değiştirebiliriz; bu, beyninizin bireysel nöronlar arasındaki sinaptik bağlantıları güçlendirerek veya zayıflatarak nasıl öğrendiğine çok benzer.”
Araştırma, uzun süredir devam eden bir varsayımdan yararlanarak PEDOT: PSS’yi daha kolay değil, aynı zamanda daha güçlü hale getirmekle kalmadı-daha güvenli, daha etkili nöral implantlar ve biyoelektronik sistemlerin gelişimini hızlandırabilecek bir değişim.
