Riassunto analitico
Lo sviluppo di dispositivi elettronici che possano funzionare all’interfaccia con la materia vivente impone il superamento di alcune barriere sia concettuali che tecnologiche: è necessario progettare e fabbricare dispositivi dotati di funzioni elettroniche complesse (ad esempio trasduzione o stimolazione) che possano funzionare su varie scale temporali a contatto con soluzioni saline, che non siano pericolosi per le matrici biologiche d’interesse e che causino minime reazioni immunitarie o da corpo estraneo.
Essendo basata sull’impiego di materiali conduttivi e/o semiconduttivi organici, la piattaforma tecnologica dell’Elettronica Organica fornisce un gran numero di strumenti utili a questo scopo, offrendo molteplici possibilità per quanto riguarda la scelta sia dei materiali che dei dispositivi.
Questa tesi verte principalmente sul transistor organico ad effetto di campo modulato da elettrolita (EGOFET) e sulle sue applicazioni all’interfaccia con la biologia. In quest’architettura recentemente sviluppata il semiconduttore organico (OSC) è direttamente esposto ad una soluzione elettrolitica che agisce da dielettrico. La carica nell’OSC è modulata dalle cariche presenti nell’elettrolita, il cui potenziale è fissato da un elettrodo metallico (il Gate).
In un primo momento sono stati investigati i principi operativi di base dell’EGOFET, giungendo all’elaborazione di un modello elettrostatico predittivo che enfatizza la natura interfacciale dell’EGOFET e chiarifica le ragioni alla base delle sue capacità di amplificazione; successivamente un nuovo tipo di dispositivo basato sulla tecnologia dell’EGOFET, il sinapstor organico modulato da elettrolita (EGOS), è stato testato in presenza di una popolazione di cellule neurali, mostrando di non influenzare negativamente parametri cellulari quali l’adesione e la proliferazione e il differenziamento e conservando le proprie proprietà neuromorfiche.
Inoltre, attraverso l’implementazione di una tecnica non convenzionale di patterning che ha permesso la sostituzione degli elettrodi metallici standard con elettrodi polimerici fatti di Poli(3,4-etilenediossitiofene)-poli(stirene-solfonato) (PEDOT:PSS), è stato sviluppato un EGOFET completamente organico depositato da soluzione, riducendo i tempi e i costi della fabbricazione e ottimizzando le prestazioni.
Elettrodi di PEDOT:PSS sono stati applicati con successo in dispositivi completamente organici come sensori di dopamina, stimolatori, dispositivi passivi per la trasmissione di impulsi e trasduttori di onde cerebrali.
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Abstract
Developing electronic devices capable of working at the interface with the living matter requires overcoming both conceptual and technological barriers: it is necessary to design and fabricate devices that need to perform complex electronic functions such as transduction or stimulation and retain them while being operated in strongly saline aqueous solutions on timescales ranging from a few hours to a few years, not hazardous for the biological matrix of interest and that cause minimal immune or foreign body reaction.
By employing organic materials as conductors and semiconductors, the technological platform of Organic Electronics provides a wide tool set towards this aim, allowing multiple possibilities as regards materials and device architectures choice.
This thesis deals mainly with the Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistor (EGOFET) and its applications at the interface with biology. In this recently developed architecture the organic semiconductor (OSC) is directly exposed to an electrolytic solution which acts as Gate dielectric, hence the charge density in the OSC is modulated by the charges in the electrolytic solution, whose potential is fixed by a metal (Gate) electrode.
First the basic operating principles of EGOFETs have been investigated, reaching the development of a predictive electrostatic model emphasizing the interfacial nature of the EGOFET and clarifying the reasons underlying its amplification capability; then an EGOFET-based device, the Electrolyte-Gated Organic Synapstor (EGOS), has been operated in the presence of a population of neural cells, showing no effect on adhesion, proliferation and differentiation capabilities of the cells and retaining its neuromorphic functionality.
Furthermore, thanks to the implementation of an unconventional patterning technique which allowed the substitution of standard gold electrodes with polymeric ones made of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS), a whole organic and fully solution-processed EGOFETs has been developed, reducing fabrication time and cost and optimizing performances.
PEDOT:PSS electrodes have been successfully applied in whole organic devices as dopamine sensors, pulse transmitters, stimulators and brain wave transducers.
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