Characterization and modelling of organic devices for simultaneous stimulation and recording of cellular electrical activity with Reference-Less Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistors

Lo studio delle malattie neuronali e neuro-degenerative richiede lo sviluppo di nuovi strumenti e tecnologie per creare dispositivi neuro-elettronici funzionali che consentano sia la stimolazione che la registrazione dell'attività elettrica cellulare. Nell'ultimo decennio l'elettronica organica sta emergendo nel campo della bioelettronica e diversi gruppi di ricerca hanno iniziato a sviluppare interfacce neurali basate su semiconduttori organici. L'interesse per tali tecnologie deriva dalle proprietà intrinseche dei materiali organici quali basso costo, trasparenza, morbidezza e flessibilità, nonché la biocompatibilità e l'idoneità nella realizzazione di sistemi stampati completamente organici. In particolare, i biosensori basati sulla tecnologia a transistor ad effetto campo organico (OFET) integrano il sensing e l'amplificazione del segnale in un singolo dispositivo, aprendo la strada a nuove interfacce neurali impiantabili per applicazioni in vivo. Per padroneggiare le proprietà di rilevamento e amplificazione dei sensori basati su OFET, è obbligatorio acquisire una conoscenza approfondita dei singoli transistor (senza la presenza di analiti e/o cellule) che vadano oltre le caratterizzazioni di base o modelli generali. Inoltre, i transistor organici sono caratterizzati da diversi principi di funzionamento e diverse proprietà rispetto alla loro controparte inorganica. In questo lavoro abbiamo svolto caratterizzazioni impulsate e transienti su diversi OFET (sia di tipo p che di tipo n) mostrando che, anche se i transistor possono accendersi e spegnersi molto velocemente, l'accumulo e/o lo svuotamento del canale conduttivo continua per tempi che possono superare le decine di secondi. Tale fenomeno deve essere attentamente considerato nella realizzazione di un biosensore e nelle sue applicazioni, poiché il punto operativo DC del dispositivo può andare alla deriva durante la registrazione dei segnali cellulari, alterando così i dati raccolti. Questo fenomeno viene ulteriormente approfondito caratterizzano i dispositivi a diverse temperature e per mezzo della tecnica DLTS. Abbiamo dimostrato che il lento accumulo (e svuotamento) del canale è dovuto alla densità di stati del semiconduttore organico che devono poter essere occupati per portare il livello energetico di Fermi vicino alla banda di conduzione. Questo è un fenomeno che può richiedere diversi secondi che possiamo descrivere introducendo una mobilità dipendente dal tempo. Per comprendere i processi di trasduzione elettrochimica tra cellule viventi ed il biosensore organico, abbiamo realizzato una struttura a due elettrodi (STACK) in cui una goccia di soluzione salina viene messa direttamente a contatto con il semiconduttore organico. Su questi dispositivi, abbiamo eseguito la spettroscopia di impedenza elettrochimica a diverse polarizzazioni DC e abbiamo sviluppato un modello circuitale equivalente per le strutture metallo/semiconduttore organico/soluzione che vengono tipicamente utilizzate per la realizzazione di bio-trasduttori. Il nostro approccio prevede di estendere il range standard delle tensioni operative per questo genere di dispositivi. Ciò ha permesso di investigare e distinguere i diversi fenomeni che si verificano nei diversi strati e interfacce: adsorbimento di ioni nel semiconduttore; accumulo e scambio di cariche di portanti all'interfaccia semiconduttore/elettrolita; percolazione delle specie ioniche attraverso il semiconduttore organico; diffusione di ioni attraverso l'elettrolita; adsorbimento di ioni e scambio di carica all'interfaccia col metallo. Abbiamo evidenziato la presenza di percolazione ionica attraverso lo strato di semiconduttore organico, che è descritto nel modello circuitale per mezzo di un'impedenza di de Levie. La presenza di percolazione è stata dimostrata mediante microscopia elettronica a scansione ambientale e analisi profilometrica. Sebbene la percolazione sia molto più evidente a valori di bias negativi elevati, risulta presente anche a basse condizioni di bias. L'ottimo accordo tra il modello e i dati sperimentali rende il modello un valido strumento per studiare i meccanismi di trasduzione tra film organici e l'ambiente fisiologico. Quindi questo modello può essere uno strumento utile non solo per la caratterizzazione e l'analisi dei guasti dei dispositivi elettronici, come water-gated transistor, interfacce elettrofisiologiche, celle a combustibile e altri sistemi elettrochimici, ma anche nel caso in cui una soluzione è in intimo contatto con un altro materiale per determinare e/o quantificare se si verificano meccanismi indesiderati come percolazione e/o processi corrosivi. Infine, il bagaglio di conoscenze ottenuto studiando i dispositivi OFET e STACK è stato messo utillizato per realizzare dispositivi EGOFET. Abbiamo quindi sviluppato un modello per descrivere gli EGOFET come interfacce neurali. Abbiamo dimostrato che il nostro modello può essere applicato con successo per comprendere il comportamento di una classe più generale di dispositivi, compresi i transistor sia organici che inorganici. Abbiamo introdotto l'RL-EGOFET (reference-less EGOFET) e abbiamo dimostrato che questa struttura può essere utilizzata con successo come interfaccia neurale flessibile per il recording extracellulare in vivo senza la necessità di un elettrodo di riferimento, rendendo l'impianto meno invasivo e più facile da usare. I nostri risultati aprono la strada all'utilizzo e all'ottimizzazione di EGOFET e RL-EGOFET come interfacce neurali.