پلی کاتیون PEDOT-N

پلی کاتیون محلول در آب (3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن) PEDOT-N بعنوان یک پلیمر رسانای همه کاره در بیوالکترونیک

پلی (3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن) (PEDOT) محبوب ترین پلیمر رسانا در حوزه نوظهور بیوالکترونیک است. علاوه بر خواص عالی و تجاری سازی آن، موفقیت آن به دلیل قابلیت پردازش آبی محلول ‌ها یا پراکندگی‌ های آنیونیک تثبیت شده آن است. در این مقاله، یک ورژن محلول در آب PEDOT ارائه شده که به صورت کاتیونی تثبیت شده است. این کار، (کو) پلیمریزاسیون اکسیداتیو شیمیایی مشتق آمونیوم PEDOT  را گزارش می‌کند که منجر به (کو) پلیمرهای PEDOT-N  می‌ شود. PEDOT-N نیز خواص معمولی PEDOT مانند جذب UV، باند دو قطبی، رسانش الکتریکی، رفتار الکتروشیمیایی و توانایی تشکیل فیلم را نشان می‌دهد. علاوه براین، فیلم‌های PEDOT-N زیست سازگاری خوبی را در حضور رده سلولی 293 کلیه جنین انسان نشان می‌دهند. حلالیت PEDOT-N در آب و ماهیت کاتیونی آن امکان پردازش آن را به شکل لایه‌ های نازک به ‌دست‌ آمده با تکنیک لایه به لایه یا هیدروژل‌ های رسانا فراهم می‌کند.

پلی (3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن) که بعنوان PEDOT شناخته می شود، امروزه محبوب ترین پلیمر رسانا در کاربرد های تجاری همچون پوشش های ضد الکتریسیته ساکن، صفحات لمسی، الکترونیک نوری (OLEDs و OPVs) یا جوهرهای الکترونیکی است. علاوه بر این، PEDOT  به دلیل دارا بودن ترکیبی از خواص (رسانش مختلط، پایداری، شفافیت و زیست‌ سازگاری)، یک پلیمر رسانا با بزرگترین چشم ‌انداز در زمینه نوظهور بیوالکترونیک محسوب می شود. در این زمینه،PEDOT  در حال حاضر در تعدادی از کاربردهای جدید مانند هیدروژل هادی، حسگرهای زیستی، ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی، جداسازی انتخابی سلول‌ ها، داربست‌ ها برای مهندسی بافت، الکترودهای الکتروفیزیولوژی، الکترودهای قابل کاشت، تحریک سلول‌ های عصبی و پوست الکترونیک در حال بررسی است. پرکاربرد ترین ورژن PEDOT پلی (3،4-اتیلن ادیوکسی تیوفن): پلی (استایرن سولفونات) (PEDOT:PSS) است که معمولاً با ریخته‌ گری یا پوشش اسپین پردازش می‌ شود. با این حال، برای برقراری ارتباط خوب بین دو حوزه زیست ‌شناسی و الکترونیک، PEDOT:PSS دچار محدودیت‌ هایی است که با عملکرد (زیستی) کم پلیمر PEDOT و اسیدیته/سمیت تثبیت کننده PSS مرتبط است. به همین دلیل، در چند سال اخیر تعدادی از مشتقات مونومر عملکردی EDOT از جمله هیدروکسی متیل، سی کلرومتیل، آزیدومتیل، کربوکسیلیک اسید و اخیراً گروه عملکردی آلدئید سنتز شده‌ اند. در بین مونومرهای عملکردی مختلف، سولفونات-EDOT محبوب ‌ترین آنها بوده است زیرا منجر به ایجاد حالت های آنیونی در پلیمر رسانا می‌ شود. سولفونات PEDOT یا PEDOT-S به دلیل حلالیت در آب و رسانش الکترونیکی بالا بدون نیاز به داربست PSS  بسیار موفق بوده است. گروه سولفونات آنیونی به پلیمر اجازه می‌دهد تا در آب تثبیت و دوپ شده و به دنبال آن، در بسیاری از کاربردها از جداسازی سلولی گرفته تا ترکیب بیوپلیمر، یا گیاهان الکترونیکی استفاده شود. با این حال، مشابه مورد PEDOT:PSS، بار کلی پلیمر رسانا آنیونی است که برای مثال، ترکیب و برهمکنش آن را با بیومولکول‌ هایی که به صورت آنیونی باردار می‌شوند مانند DNA/RNA، بیشتر پروتئین‌ها در  pH فیزیولوژیکی و سلول‌ ها، محدود می‌ کند. از این نظر، یک نسخه کاتیونی محلول در آب  PEDOT برای برخی از برنامه ها جالب خواهد بود. در بین مونومرهای مختلف  EDOT که سنتز شده‌ اند، نمونه ‌هایی از مشتقات مونومر کاتیونی EDOT وجود دارد که دارای گروه‌ های آمونیوم، ایمیدازولیوم یا پیریدینیم هستند، اما این مونومرها تنها برای تنظیم خواص لایه‌ های پلیمری حاصل از الکتروپلیمریزاسیون با اولیفوبیک بالا و قابلیت تعویض آنیون یا واکنش الکتریکی سطوح استفاده شده‌ اند. در این مقاله، ما سنتز شیمیایی یک مونومر کاتیونی آمونیوم  EDOT، (کو)پلیمریزاسیون شیمیایی، خواص فیزیکوشیمیایی و الکتروشیمیایی آن را نشان می‌دهیم. این مقاله یک مشتق کاتیونی  PEDOT محلول در آب را نشان می‌دهد که به صورت الکترونیکی با پتانسیل بالایی در کاربردهای بیوالکترونیک هدایت می‌شود. علاوه براین، خواص الکتروشیمیایی و همچنین زیست سازگاری آن مورد بررسی قرار گرفت. در پایان، تطبیق پذیری  PEDOT-N با پردازش به دو روش مختلف ارائه شد. اول، این مقاله لایه‌ های نازک  PEDOT را نشان می‌دهد که با مونتاژ لایه به لایه  (LbL) پلی‌ الکترولیت‌ ها به‌ دست می‌ آیند و دوم، آماده‌ سازی آسان هیدروژل‌ های رسانا.

کو پلیمریزاسیون و خواص PEDOTهای کاتیونی محلول در آب

هموپلیمر PEDOT-N و کوپلیمرهای تصادفی PEDOT-co-PEDOT-N از طریق پلیمریزاسیون اکسیداتیو شیمیایی با استفاده از (NH₄)₂S₂O₈ بعنوان اکسیدان سنتز شده و سپس، با FeSO₄.7H₂O در محیط اسیدی سنتز شدند. در طرح زیر واکنش پلیمریزاسیون برای تهیه مشتقات PEDOT-N محلول در آب نشان داده شده است که از طریق یک مکانیسم پلیمریزاسیون اکسیداتیو شناخته شده انجام می شود.

طرح 1:

محلول قهوه‌ای مونومر/اکسیدان ابتدا پس از 4 ساعت واکنش آبی تیره شد که نشان دهنده رنگ معمولی  PEDOT است. محصول نهایی با دی کلرومتان استخراج شده و پس از خشک شدن، به صورت پودر آبی تیره بدست آمد. هموپلیمر PEDOT-N مطابق با بخش اول از طرح بالا سنتز شد. علاوه بر این، ترکیبات کوپلیمری تصادفی مختلف با نام PEDOT-co-PEDOT-N مطابق با بخش دوم از طرح بالا سنتز شدند. دو ترکیب کوپلیمری مختلف با 50 و 70 درصد مول کومونومر تجاری  EDOT سنتز شدند که به ترتیب با 50 و 25 درصد مول EDOT/TMEAI مرتبط است. جالب اینکه که (کو)پلیمرهای  PEDOT-N می توانند در آب حل یا پراکنده شوند که منجر به محلول ها یا پراکندگی های آبی معمولی PEDOT می شود. ارزیابی پتانسیل زتا نشان می دهد که پتانسیل  z مواد مثبت است و با افزایش درصد  PEDOT کاتیونی در نمونه افزایش می یابد. این امر نشان می دهد که چگالی بار سطح و همچنین خواص سطحی می توانند با افزودن PEDOT-N در پلیمریزاسیون شیمیایی اصلاح شوند و دست یافتن به یک مشتق PEDOT محلول یا پراکنده در آب تثبیت شده با بارهای کاتیونی را اثبات می کند. افزایش پتانسیل زتا امکان پیش‌ بینی رفتار تجمع احتمالی مشتقات  PEDOT-N را فراهم می‌کند. بار سطحی بالاتر از 100 درصد PEDOT-N (20 مول/V) نشان دهنده تمایل به اجتناب از دانه های دافعه الکترواستاتیک و بهبود ترشوندگی پلیمر است اما بار سطحی پایین‌تر (مانند میزان به دست آمده برای PEDOT-co-PEDOT-N) برای غلبه بر نیروهای واندروالس بین ذرات پلیمر کافی نیست و منجر به درجات خاصی از تجمع آنها می شود.

نتیجه گیری

در این مقاله، ما سنتز پلیمر کاتیونی جدید PEDOT-N محلول و پردازش‌ پذیر در آب را بررسی می کنیم. مواد PEDOT-N از خواص معمولی PEDOT مانند جذب UV، باند دوقطبی، هدایت الکتریکی و رفتار الکتروشیمیایی برخوردار هستند و می ‌توانند به صورت فیلم نیز پردازش شوند. با اصلاح نسبت EDOT-N و EDOT کوپلیمرهای مختلفی به دست آمد. هموپلیمر PEDOT-N نشان دهنده حلالیت بالاتر در آب و فیلم‌ های با کیفیت است. با افزایش مقدار EDOT، پراکندگی های آبی نانو ذرات  PEDOT به دست آمد که منجر به ایجاد لایه های نامنظم تر اما با رسانش اندکی بالاتر شد. مواد  PEDOT-N زیست سازگاری خوبی در حضور سلول‌ های  HEK-293 نشان می‌دهند. حلالیت  PEDOT-N در آب و ماهیت کاتیونی آن امکان پردازش آن را به شکل لایه‌ های نازک به‌ دست‌ آمده توسط  LbL یا هیدروژل‌ ها فراهم می‌کند. تحقیقات آینده به بررسی کاربرد آن مواد در بیوالکترونیک اختصاص خواهد یافت.