Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực khoa học vật liệu đã mở ra những khả năng mới cho việc chế tạo thiết bị điện tử sinh học, các thiết bị được thiết kế để đeo hoặc cấy ghép vào cơ thể con người. Thiết bị điện tử sinh học có thể giúp theo dõi hoặc hỗ trợ chức năng của các cơ quan, mô và tế bào, có thể góp phần vào việc phòng ngừa và điều trị nhiều loại bệnh khác nhau.
Tổng quan về quy trình xử lý nhiệt, được minh họa bằng mẫu PEDOT:PSS in lưới trên vải vẫn ổn định sau khi giặt bằng chất tẩy rửa. Tín dụng: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202415827
Một vật liệu đầy hứa hẹn cho việc chế tạo điện tử sinh học là PEDOT:PSS, một loại polymer được biết đến với độ dẫn điện cao, tính linh hoạt và khả năng tương thích với các mô sinh học. Mặc dù có những đặc tính có lợi, PEDOT:PSS được biết là hòa tan dần trong chất lỏng sinh học, một hạn chế cho đến nay đã được khắc phục bằng các hợp chất và quy trình hóa học.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford, Đại học Cambridge và Đại học Rice gần đây đã khám phá ra một chiến lược dễ dàng hơn và có khả năng an toàn hơn để ổn định loại polyme tương thích sinh học này bằng nhiệt. Phương pháp xử lý nhiệt mà họ đề xuất, được nêu trong tạp chí Advanced Materials, được phát hiện là làm cho màng PEDOT:PSS ổn định trong nước mà không cần bất kỳ chất phụ gia hóa học nào.
Siddharth Doshi, đồng tác giả đầu tiên của bài báo, chia sẻ với Tech Xplore: "Công trình này bắt đầu từ một khám phá tình cờ trong quá trình nghiên cứu trước đây của tôi, khi tôi sử dụng polyme phản ứng PEDOT:PSS để chế tạo các thiết bị quang tử có khả năng thay đổi hình dạng".
"Tôi nhận thấy rằng các màng PEDOT:PSS mà tôi vô tình nung ở nhiệt độ cao hơn bình thường không tan trong nước. Đây là một bất ngờ lớn, vì PEDOT:PSS là một loại polymer dẫn điện được nghiên cứu rộng rãi và để khắc phục thực tế là nó bị tách lớp trong nước, hàng trăm bài báo về điện tử sinh học sử dụng chất liên kết chéo hóa học để ổn định thiết bị của họ."
Sau khi thực hiện quan sát đáng ngạc nhiên này như một phần của nghiên cứu trước đó, Doshi và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu khám phá khả năng làm nóng màng PEDOT:PSS cũng có thể ổn định chúng trong chất lỏng. Ngoài ra, họ muốn xác định chính xác điều gì đã xảy ra khi các màng được làm nóng ở nhiệt độ nhất định, quá trình làm nóng này ảnh hưởng đến các đặc tính của chúng như thế nào và liệu phương pháp tiếp cận dựa trên nhiệt có thể thay thế các quy trình ổn định hóa học hiện có hay không.
"Ưu điểm chính của phương pháp tiếp cận của chúng tôi là tính đơn giản của nó—bạn chỉ cần làm nóng các màng PEDOT:PSS thương mại, chưa biến đổi trên một tấm nóng ở nhiệt độ từ 150°C đến 200°C trong 2 phút và nó không còn tan trong nước nữa", Doshi giải thích. "Nó hoạt động trên các chất nền khác nhau, bao gồm nhựa co giãn và thậm chí là các loại vải khác nhau, và tránh được nhiều biến chứng của chất liên kết hóa học, ảnh hưởng đến độ dẫn điện và độ tin cậy của màng".
Phương pháp xử lý nhiệt do các nhà nghiên cứu đưa ra cũng có thể cho phép tạo mẫu trực tiếp PEDOT:PSS chỉ bằng cách áp dụng nhiệt vào các vị trí cụ thể trên màng và do đó loại bỏ nhu cầu về các kỹ thuật in thạch bản phức tạp. Là một phần của nghiên cứu, Doshi và các đồng nghiệp của ông cũng đã chứng minh việc in 3D PEDOT:PSS ở quy mô vi mô, bằng cách sử dụng chùm tia laser femto giây tập trung.
"PEDOT:PSS hấp thụ mạnh ở bước sóng laser gần hồng ngoại mà chúng tôi sử dụng, gây ra hiện tượng gia nhiệt cục bộ", Doshi cho biết. "Thông qua việc quét từng lớp một điểm laser tập trung, chúng tôi có thể ổn định cục bộ các mẫu 3D bên trong màng phim, các mẫu này vẫn còn ngay cả sau khi các phần không được phơi sáng của màng phim bị rửa trôi trong nước. Một lợi ích bổ sung tuyệt vời là điều này mang đến cho chúng tôi một cách thân thiện với môi trường để tạo mẫu cho vật liệu này, chỉ sử dụng nước để xử lý thay vì các dung môi độc hại khác".
Các thử nghiệm ban đầu do các nhà nghiên cứu thực hiện đã mang lại kết quả rất khả quan. Cuối cùng, phương pháp tiếp cận dựa trên nhiệt của họ đã được phát hiện là làm cho màng PEDOT:PSS ổn định trong nước, đồng thời cải thiện hiệu suất của chúng.
Tiếp xúc từng lớp với chùm tia laser femto giây tập trung cho phép in 3D ở quy mô vi mô của PEDOT:PSS chưa sửa đổi. Tín dụng: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202415827
"Các thiết bị điện tử sinh học được xử lý nhiệt như bóng bán dẫn, máy kích thích tủy sống và mảng điện não đồ (ECoG) dễ chế tạo hơn, đáng tin cậy hơn và có hiệu suất cao như nhau. Và chúng tỏ ra mạnh mẽ trong các thí nghiệm in vivo kéo dài, duy trì độ ổn định trong hơn 20 ngày sau khi cấy ghép", Margaux Forner, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Cambridge và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết.
"Đáng chú ý là màng phim vẫn duy trì hiệu suất điện tuyệt vời khi được kéo căng, làm nổi bật tiềm năng của nó đối với các thiết bị điện tử sinh học có khả năng phục hồi cả bên trong và bên ngoài cơ thể."
"Đặc điểm của chúng tôi cho thấy rằng xử lý nhiệt thúc đẩy quá trình tách pha của các vùng giàu PEDOT và PSS, giúp ổn định hỗn hợp polyme bằng cách tạo ra mạng lưới pha giàu PEDOT không tan trong nước", Scott Keene, Trợ lý Giáo sư tại Đại học Rice và là tác giả chính của bài báo cho biết thêm. "Ngoài việc làm cho polyme ổn định trong nước, chúng tôi thấy rằng quá trình tách pha cải thiện cả độ dẫn điện và điện dung của màng phim của chúng tôi, hai thông số quan trọng đối với các thiết bị điện tử sinh học".
Ngoài ra, phương pháp xử lý nhiệt đơn giản do Doshi và các đồng nghiệp giới thiệu có thể dễ dàng tích hợp với các quy trình sản xuất hiện có. Trong tương lai, nó có thể đơn giản hóa việc phát triển nhiều thiết bị dựa trên PEDOT:PSS, bao gồm cả điện tử sinh học, cũng như điện tử đeo được và da điện tử.
"Chúng tôi cũng rất hào hứng về khả năng in 3D các polyme ở cấp độ vi mô", Doshi cho biết. "Đây là mục tiêu chính của cộng đồng, vì việc viết vật liệu chức năng này ở dạng 3D có thể cho phép bạn giao tiếp với thế giới sinh học 3D. Thông thường, điều này được thực hiện bằng cách kết hợp PEDOT:PSS với các chất kết dính hoặc nhựa nhạy sáng khác nhau; tuy nhiên, những chất bổ sung này ảnh hưởng đến các đặc tính của vật liệu hoặc khó thu nhỏ xuống kích thước micron".
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công phương pháp tiếp cận dựa trên nhiệt của họ để tạo ra các cấu trúc 3D phức tạp, bao gồm các khối, bề mặt có kết cấu và các mẫu thử điêu khắc có đường cong, góc vát và rãnh, được làm bằng PEDOT:PSS. Họ đã đạt được điều này bằng cách sử dụng mẫu laser femto giây, nhưng cuối cùng cũng có thể đạt được bằng các phương pháp dựa trên laser khác.
Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu khác sẽ bắt đầu thử nghiệm phương pháp xử lý nhiệt của họ và sử dụng nó để ổn định màng PEDOT:PSS mà không cần dựa vào các quy trình hóa học. Trong tương lai, phương pháp mới được giới thiệu của họ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các màng này để phát triển các thiết bị cấy ghép và các thiết bị khác có khả năng chống nước hoặc các chất lỏng khác.
"Một hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ là khám phá những cách mới để giao tiếp với thế giới sinh học 3D thông qua các giao diện tế bào chức năng", Doshi cho biết. "Chúng tôi cũng quan tâm đến việc quay trở lại động lực ban đầu của mình là khám phá những cách mới để chế tạo PEDOT:PSS, tức là chế tạo các thiết bị quang tử 3D có thể chuyển đổi sử dụng khả năng điều chỉnh quang điện tử của PEDOT:PSS để thay đổi động các đặc tính quang học của chúng.
"Có rất nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực quang học vi mô và nano đối với các thiết bị có thể thay đổi chức năng theo yêu cầu và các thiết bị 3D có thể có nhiều ưu điểm hơn so với các thiết bị 2D đã được khám phá rộng rãi nhất cho đến nay."
Trong các nghiên cứu tiếp theo, Doshi và các đồng nghiệp của ông cũng có kế hoạch tiếp tục điều tra các cơ chế cơ bản hỗ trợ sự ổn định của PEDOT:PSS khi nó được nung nóng trên 150°C trong hơn hai phút. Để làm được điều này, họ sẽ sử dụng các kỹ thuật hình ảnh và đặc tính vật liệu tiên tiến.
Doshi cho biết thêm: "Các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử truyền qua tại chỗ hoặc nhiễu xạ tia X tại chỗ có thể cho phép chúng ta hình dung chính xác những gì đang xảy ra với chuỗi PEDOT và PSS cũng như cấu trúc vi mô tổng thể của vật liệu theo thời gian thực".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
