Transistores eletroquímicos orgânicos impressos a partir de materiais degradáveis ​​como sensores bioquímicos descartáveis

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11467 (2023) Citar este artigo

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A eletrônica transitória é promissora na redução do desperdício eletrônico, especialmente em aplicações que exigem apenas uma vida útil limitada. Embora vários dispositivos de detecção eletrônicos e físicos degradáveis ​​tenham sido propostos, há um interesse crescente no desenvolvimento de sensores bioquímicos degradáveis. Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de um transistor eletroquímico orgânico (OECT) com eletrodos degradáveis, impressos em substrato eco e bioabsorvível. A influência do design e dos materiais para os contatos, canal e porta do transdutor, nomeadamente poli(3,4-etileno dioxitiofeno):poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS) e carbono, é sistematicamente avaliada para o desenvolvimento de transientes baseados em OECT biossensores. As capacidades de detecção dos transistores eletroquímicos são demonstradas com soluções iônicas, bem como para a detecção de glicose baseada em enzimas. Os OECTs descartáveis ​​apresentam desempenho comparável aos seus equivalentes não degradáveis. Sua integração com trilhas de zinco altamente condutoras, degradáveis ​​e imprimíveis, é estudada para a realização de interconexões. Esses OECTs ecologicamente corretos podem encontrar aplicações como sensores bioquímicos descartáveis ​​e sustentáveis, e constituem um passo em direção aos biossensores bioabsorvíveis.

Nos últimos anos, o interesse em biossensores contínuos, de baixo custo e confiáveis ​​tem aumentado constantemente, visando aplicações em testes no local de atendimento1,2, monitoramento contínuo através de wearables3,4 ou biossensores implantados5. Nesse contexto, os transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) surgiram como uma alternativa promissora aos sensores potenciométricos, amperométricos ou baseados em transistores de efeito de campo sensíveis a íons (ISFET)6. O interesse recente em OECTs foi motivado por sua compatibilidade com substratos mecanicamente compatíveis7, alta transcondutância8, operação livre de referência9 e integração microfluídica simplificada10. O monitoramento preciso de vários analitos foi demonstrado aproveitando as propriedades de alta amplificação de sinal dos OECTs. Os exemplos incluem a detecção de pH11, eletrólitos como sódio e potássio12, metabólitos incluindo glicose e lactato13 ou neurotransmissores como dopamina ou epinefrina14,15. Os OECTs consistem em três terminais (fonte, dreno e portão). Os contatos da fonte e do dreno são geralmente fabricados com metais como ouro ou prata e o canal consiste em uma camada de polímero condutor conectando a fonte e o dreno. O canal é mais frequentemente baseado em poli(3,4-etileno dioxitiofeno):poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS)16, embora outros materiais como o polipirrol tenham sido explorados8. Uma variedade de materiais tem sido usada para fabricar o eletrodo de porta, embora prata/cloreto de prata ou platina sejam as escolhas mais comuns para a fabricação de porta8. A porta e o canal estão em contato com um eletrólito (na forma líquida ou gel) e os cátions do eletrólito se difundem no canal se um potencial de porta positivo for aplicado e desdopam o polímero condutor compensando os ânions do dopante PSS. Esta arquitetura relativamente simples é compatível com projetos planares e integração de alta densidade em sistemas microfluídicos ou circuitos eletrônicos orgânicos complexos .

Vantajosamente, a fabricação de OECTs, em particular do canal condutor, é compatível com métodos de fabricação baseados em soluções e fabricação aditiva, permitindo fabricação econômica e prototipagem rápida em substratos flexíveis . Isto abre novas possibilidades em termos de combinação de materiais que podem ser utilizados na fabricação de OECTs, em particular a utilização de materiais degradáveis. Eletrônicos degradáveis ​​referem-se a sistemas e componentes eletrônicos que podem se degradar espontaneamente em um ambiente de interesse, em um período de tempo controlado e sem liberar subprodutos prejudiciais a esse ambiente18. Com a geração de quantidades preocupantes de resíduos eletrónicos, bem como o número explosivo de dispositivos conectados à Internet das Coisas (IoT)19, há um interesse crescente em sistemas eletrónicos transitórios com uma vida útil de alguns dias a alguns meses. Embora tenham sido feitos avanços na fabricação de dispositivos funcionais totalmente degradáveis, ou seja, antenas20, baterias21 e sensores físicos e ambientais22,23, as investigações sobre biossensores degradáveis ​​permanecem relativamente limitadas24.