Transistor elettrochimici organici stampati da materiali degradabili come sensori biochimici usa e getta

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11467 (2023) Citare questo articolo

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L'elettronica transitoria è promettente nella riduzione dei rifiuti elettronici, soprattutto nelle applicazioni che richiedono solo una durata limitata. Sebbene siano stati proposti vari dispositivi di rilevamento elettronici e fisici degradabili, vi è un crescente interesse per lo sviluppo di sensori biochimici degradabili. In questo lavoro presentiamo lo sviluppo di un transistor elettrochimico organico (OECT) con elettrodi degradabili, stampati su un substrato eco e bioriassorbibile. L'influenza del design e dei materiali per i contatti, il canale e il gate del trasduttore, vale a dire poli(3,4-etilene diossitiofene):polistirene solfonato (PEDOT:PSS) e carbonio, viene valutata sistematicamente per lo sviluppo di transitori basati su OECT biosensori. Le capacità di rilevamento dei transistor elettrochimici sono dimostrate con soluzioni ioniche e per il rilevamento del glucosio basato su enzimi. Gli OECT usa e getta mostrano prestazioni paragonabili alle loro controparti non degradabili. La loro integrazione con piste in zinco altamente conduttive degradabili e stampabili è studiata per la realizzazione di interconnessioni. Questi OECT ecologici potrebbero trovare applicazioni come sensori biochimici usa e getta e sostenibili e costituire un passo avanti verso i biosensori bioriassorbibili.

Negli ultimi anni, l'interesse per biosensori continui, economici e affidabili è in costante aumento, mirando ad applicazioni nei test point-of-care1,2, nel monitoraggio continuo tramite dispositivi indossabili3,4 o biosensori impiantati5. In questo contesto, i transistor elettrochimici organici (OECT) sono emersi come un'alternativa promettente ai sensori basati su transistor a effetto di campo potenziometrici, amperometrici o sensibili agli ioni (ISFET)6. Il recente interesse per gli OECT è stato motivato dalla loro compatibilità con substrati meccanicamente conformi7, elevata transconduttanza8, funzionamento senza riferimento9 e integrazione microfluidica semplificata10. È stato dimostrato un monitoraggio preciso di vari analiti sfruttando le elevate proprietà di amplificazione del segnale degli OECT. Gli esempi includono il rilevamento del pH11, elettroliti come sodio e potassio12, metaboliti tra cui glucosio e lattato13 o neurotrasmettitori come dopamina o epinefrina14,15. Gli OECT sono costituiti da tre terminali (sorgente, drenaggio e gate). I contatti di source e drain sono solitamente realizzati con metalli come oro o argento e il canale è costituito da uno strato polimerico conduttivo che collega la source e il drain. Il canale è spesso basato sul poli(3,4-etilene diossitiofene):polistirene solfonato (PEDOT:PSS)16, sebbene siano stati esplorati altri materiali come il polipirrolo8. Per fabbricare l'elettrodo di gate è stata utilizzata una varietà di materiali, sebbene argento/cloruro di argento o platino siano le scelte più comuni per la fabbricazione del gate8. Il gate e il canale sono in contatto con un elettrolita (in forma liquida o gel) e i cationi dell'elettrolita si diffondono nel canale se viene applicato un potenziale di gate positivo e de-drogano il polimero conduttivo compensando gli anioni del drogante PSS. Questa architettura relativamente semplice è compatibile con progetti planari e integrazione ad alta densità in sistemi microfluidici o circuiti elettronici organici complessi17.

Vantaggiosamente, la fabbricazione di OECT, in particolare del canale conduttivo, è compatibile con metodi di fabbricazione basati su soluzioni e produzione additiva, consentendo una produzione economicamente vantaggiosa e una prototipazione rapida su substrati flessibili10. Ciò apre nuove possibilità in termini di combinazione di materiali che possono essere utilizzati nella produzione di OECT, in particolare l’uso di materiali degradabili. L'elettronica degradabile si riferisce a sistemi e componenti elettronici che possono degradarsi in un ambiente di interesse spontaneamente, in un periodo di tempo controllato e senza rilasciare sottoprodotti dannosi per quell'ambiente18. Considerando la quantità preoccupante di rifiuti elettronici generati e il numero esponenziale di dispositivi connessi all'Internet delle cose (IoT)19, vi è un crescente interesse per i sistemi elettronici transitori con una durata di servizio compresa tra pochi giorni e alcuni mesi. Sebbene siano stati compiuti progressi nella produzione di dispositivi funzionali completamente degradabili, ad esempio antenne20, batterie21 e sensori fisici e ambientali22,23, le indagini sui biosensori degradabili rimangono relativamente limitate24.