熱處理技術革新生物電子材料製程

近年來，材料科學的突破為生物電子裝置的製造開闢了新途徑。這些裝置設計用於穿戴或植入人體，能夠監測或支援器官、組織和細胞的功能，從而協助預防和治療多種疾病。其中，PEDOT:PSS這種高分子材料因其高導電性、柔韌性及與生物組織的相容性，被視為製造生物電子裝置的潛力材料。然而，PEDOT:PSS在生物體液中會逐漸溶解，這一限制過去通常透過化學新增劑和複雜的處理程式來克服。

近期，史丹佛大學、劍橋大學和萊斯大學的研究團隊發現了一種更簡單且可能更安全的方法，利用熱處理來穩定這種生物相容性高分子。他們在《先進材料》期刊中提出的熱處理技術，使PEDOT:PSS薄膜在水中保持穩定，且無需任何化學新增劑。論文共同第一作者Siddharth Doshi表示：「這項研究源於我先前研究中的意外發現。當時我正在使用PEDOT:PSS製作形狀變化的光子裝置，卻發現意外在高溫下烘烤的PEDOT:PSS薄膜並未在水中溶解。這讓我非常驚訝，因為PEDOT:PSS是一種被廣泛研究的導電高分子，過去數百篇生物電子論文都使用化學交聯劑來穩定裝置，以解決其在水中分層的問題。」

基於這一發現，Doshi及其同事進一步探索了加熱PEDOT:PSS薄膜是否能使其在液體中保持穩定。他們還希望瞭解加熱過程對薄膜性質的影響，以及熱處理是否能取代現有的化學穩定程式。Doshi解釋道：「我們方法的關鍵優勢在於其簡單性。只需將未經改性的商用PEDOT:PSS薄膜在150°C至200°C的熱板上加熱2分鐘，它就不再溶解於水。這種方法適用於不同基材，包括可拉伸塑膠和各種布料，並避免了化學交聯劑對薄膜導電性和可靠性的影響。」

研究團隊開發的熱處理技術還能夠透過對薄膜特定區域加熱來實現PEDOT:PSS的直接圖案化，從而省去複雜的光刻技術。此外，他們還展示了利用聚焦飛秒雷射光束進行微尺度3D列印的技術。Doshi補充道：「PEDOT:PSS在我們使用的近紅外雷射波長下強烈吸收，從而產生區域性加熱效果。透過逐層掃描聚焦雷射光點，我們可以在薄膜中區域性穩定3D圖案，即使未曝光部分被水沖洗掉，這些圖案仍能保留。這也提供了一種環保的圖案化方式，僅需用水處理，而無需使用其他有毒溶劑。」

初步測試結果顯示，熱處理不僅使PEDOT:PSS薄膜在水中保持穩定，還提升了其效能。劍橋大學博士生兼論文共同第一作者Margaux Forner表示：「經過熱處理的生物電子裝置，如電晶體、脊髓刺激器和皮層電圖（ECoG）陣列，更容易製造、更可靠且效能同樣優異。在慢性體內實驗中，這些裝置表現出良好的穩定性，植入後可維持超過20天。值得注意的是，薄膜在拉伸時仍保持優異的電效能，顯示其在體內外應用於韌性生物電子裝置的潛力。」

萊斯大學助理教授兼論文資深作者Scott Keene補充道：「我們的研究表明，熱處理驅動了PEDOT和PSS富集區域的相分離，形成一個由不溶於水的PEDOT富集相組成的網路，從而穩定高分子混合物。除了使高分子材料在水中穩定外，我們還發現相分離提升了薄膜的導電性和電容，這兩個引數對生物電子裝置至關重要。」

Doshi及其同事提出的熱處理技術可輕鬆整合到現有的製造流程中，未來有望簡化基於PEDOT:PSS的各種裝置的開發，包括生物電子裝置、穿戴式電子產品和電子皮膚。Doshi表示：「我們對微尺度3D列印技術的潛力感到非常興奮。這一直是該領域的重要目標，因為將這種功能性材料以3D形式列印，可以讓您與生物學的3D世界進行互動。通常，這需要將PEDOT:PSS與不同的光敏黏合劑或樹脂結合，但這些新增物會影響材料特性，或難以縮小到微米尺度。」

研究團隊已成功利用熱處理技術建立了複雜的3D結構，包括由PEDOT:PSS製成的塊體、紋理表面和具有曲線、斜面和凹槽的雕塑測試件。他們使用飛秒雷射圖案化技術實現了這一點，但未來也可能透過其他雷射方法達成。研究團隊希望其他材料科學家和工程師能開始嘗試他們的熱處理技術，並用它來穩定PEDOT:PSS薄膜，而無需依賴化學程式。未來，這項新技術將有助於開發植入式裝置及其他需要防水或耐液體的裝置。

Doshi表示：「未來研究的一個方向是探索透過功能性細胞介面與生物學3D世界互動的新方法。我們也對回到最初的動機感興趣，即探索製造PEDOT:PSS的新方法，用於製作可切換的3D光子裝置，利用PEDOT:PSS的電光可調性來動態改變其光學特性。在微奈米光學領域，對能夠按需改變功能的裝置有極大興趣，而3D裝置可能比目前廣泛探索的2D裝置更具優勢。」

在接下來的研究中，Doshi及其同事計劃進一步探討PEDOT:PSS在加熱超過150°C並持續兩分鐘以上時的穩定機制。為此，他們將採用先進的成像和材料表徵技術。Doshi補充道：「像原位透射電子顯微鏡或原位X射線衍射這樣的技術，可以讓我們即時觀察PEDOT和PSS鏈的變化以及材料的整體微觀結構。」