Doktorant z PW pokazuje nowe spojrzenie na działanie materiałów dla bioelektroniki

Nasz doktorant mgr inż. Roman Gańczarczyk, prof. Renata Rybakiewicz-Sekita z Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego i prof. Eryk D. Głowacki z CEITEC w Brnie zbadali stabilność P3HT – organicznego półprzewodnika stosowanego w bioelektronice. Wykazali, że podczas naświetlania i generacji reaktywnych form tlenu materiał sam ulega utlenianiu i stopniowej degradacji.

W nauce najłatwiej opowiada się o materiałach, które działają wydajniej, dłużej i pozwalają uzyskać coraz lepsze parametry konstruowanych z nich urządzeń. Znacznie trudniej zainteresować odbiorców wynikiem pokazującym coś odwrotnego, że szeroko stosowany materiał ma istotne ograniczenie, ulega degradacji albo zachowuje się inaczej, niż wcześniej zakładano. Tymczasem właśnie takie obserwacje mogą mieć fundamentalne znaczenie, szczególnie w bioelektronice, gdzie stosowane materiały mają pracować w bezpośrednim kontakcie z żywymi tkankami.

P3HT, czyli poli(3-heksylotiofen), jest jednym z najlepiej poznanych polimerów półprzewodzących. Pochłania światło widzialne, przewodzi ładunki elektryczne i może być wykorzystywany zarówno w postaci cienkich warstw, jak i nanocząstek. Jego wyjątkowe właściwości sprawiły, że zaczęto wykorzystywać go również w bioelektronice, między innymi do fotostymulacji komórek nerwowych i siatkówki oka. Rozwój tego typu urządzeń postępuje bardzo szybko i w pewnych obszarach może wyprzedzać pełne poznanie stabilności chemicznej oraz mechanizmów degradacji stosowanych w nich materiałów.

Właśnie temu zagadnieniu przyjrzał się zespół naukowców z Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego oraz CEITEC w Czechach. Badacze sprawdzili zachowanie P3HT w warunkach zbliżonych do tych, w których materiał miałby pracować w organizmie  - w środowisku wodnym, w obecności tlenu i pod wpływem światła. Wykazali, że podczas jego naświetlania powstaje nadtlenek wodoru, a procesowi temu towarzyszy jednoczesna degradacja samego polimeru. Oznacza to, że P3HT nie pełni w tym układzie wyłącznie roli materiału fotokatalitycznego, lecz sam jest w ich trakcie stopniowo zużywany.

Obraz (old)

„Na pierwszy rzut oka wykazanie, że materiał ulega degradacji, może być postrzegane jako wynik niekorzystny z punktu widzenia jego potencjalnych zastosowań. Nie oznacza to jednak, że jest on mniej istotny naukowo. Z perspektywy inżynierii materiałowej takie obserwacje są niezwykle ważne. Jeżeli chcemy bezpiecznie stosować organiczne półprzewodniki w bioelektronice, musimy znać nie tylko ich parametry elektryczne i optyczne, ale również przemiany chemiczne zachodzące podczas pracy urządzenia w środowisku, w którym materiał ma docelowo funkcjonować" - mówi mgr inż. Roman Gańczarczyk z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej.

W przypadku klasycznej elektroniki organicznej ocena materiału koncentruje się przede wszystkim na analizie jego parametrów elektrycznych i optycznych. W bioelektronice, a w szczególności w zastosowaniach fotostymulacyjnych, kryteria muszą być szersze. Stosowane materiały mogą pozostawać przez długi czas w środowisku wodnym, mieć kontakt z komórkami oraz być wielokrotnie naświetlane. Dlatego znaczenie ma nie tylko skuteczność działania urządzenia, ale również stabilność chemiczna stosowanych w nich materiałów.

„Jeżeli wiemy, w jaki sposób i w jakich warunkach materiał ulega degradacji, możemy zacząć projektować rozwiązania ograniczające ten proces. Może to oznaczać modyfikację jego struktury chemicznej, morfologii lub sposobu przetwarzania, ale także zmianę architektury całego urządzenia tak, aby ograniczyć niepożądane reakcje. Dlatego równie ważne jak pokazanie, że dany materiał działa, jest zrozumienie, kiedy zaczyna tracić swoje właściwości i co jest tego przyczyną" - podkreśla prof. Renata Rybakiewicz-Sekita z UKSW.

Wyniki pokazują więc, że pozornie „negatywna” obserwacja może być ważnym krokiem w odpowiedzialnym rozwoju nowych technologii. W przypadku bioelektroniki ma to szczególne znaczenie. Materiał przeznaczony do pracy w kontakcie z żywą tkanką powinien być oceniany nie tylko pod kątem tego, czy spełnia swoją funkcję, ale również czy jest stabilny i bezpieczny.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Chemistry - A European Journal w artykule „Photoinduced ROS Production by Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) is due to Autoxidation Rather Than Catalysis”.

Badania zrealizowano przy współfinansowaniu Narodowego Centrum Nauki w ramach projektów PRELUDIUM (2024/53/N/ST5/02771) oraz SONATA (2024/55/D/ST5/02837).