Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Polymerforschung entwickelt leitfähige Polymere für flexible Biosensoren. Diese können direkt auf der Haut getragen werden und zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung beitragen.
Ein Pflaster, das den Herzschlag misst oder Biomarker im Schweiß detektiert und sich dabei so weich und flexibel anfühlt wie die eigene Haut – solche Visionen werden durch neue Materialentwicklungen greifbar. Um Ideen wie diese sowie tragbare und hautähnliche Elektronik im Allgemeinen zu realisieren, werden Materialien benötigt, die sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit als auch mechanische Dehnbarkeit besitzen. An dieser Herausforderung arbeitet derzeit ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz, um Dr. Ulrike Kraft. Allerdings stehen Dehnbarkeit und elektrische Leitfähigkeit häufig im Widerspruch zueinander, was die Entwicklung geeigneter Materialien erschwert.
In ihrer aktuellen Studie zeigen die Forscher, wie dieser Zielkonflikt durch den gezielten Transfer von Weichmachern aus dem Substrat in den PEDOT:PSS-Polymerfilm überwunden werden kann. Dazu wird ein zuvor etabliertes Transferdruckverfahren genutzt, das es ermöglicht, leitfähigen Polymerfilme schnell, zuverlässig und unkompliziert auf dehnbare, biologisch abbaubare Substrate zu übertragen.
Gezielte Diffusion von Weichmachern aus dem Substrat in die leitfähige Schicht lässt sowohl die Leitfähigkeit als auch die Verformbarkeit von leitfähigen Polymeren deutlich verbessern. (Abb.: MPI-P)
Als leitfähiges Polymer wird das vielversprechende Material PEDOT:PSS verwendet, welches Transparenz, Flexibilität und Biokompatibilität vereint. „Die in den Substraten enthaltenen Weichmacher diffundieren in das leitfähige Polymer, wodurch sowohl die elektrische Leistung als auch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden“, erläutert Carla Volkert, Doktorandin und Erstautorin der Studie.
Der Ansatz ermöglich es darüber hinaus, grundlegende Erkenntnisse über das Verhalten dehnbarer elektronischer Materialien zu gewinnen. Durch eine Kombination verschiedener Analysemethoden – darunter elektrische Charakterisierung, mikroskopische Bildgebung, Rasterkraftmikroskopie und Raman-Spektroskopie – konnten die Forscher neue Einblicke in die morphologischen und elektronischen Veränderungen von PEDOT:PSS unter Dehnung gewinnen. Besonders bemerkenswert ist die beobachtete Selbstanordnung der Polymerketten, die unter mechanischer Belastung eine gesteigerte elektrische Leitfähigkeit bewirkt. „Unsere Methode verbessert gleichzeitig die Dehnbarkeit und elektrische Leitfähigkeit von PEDOT:PSS – ein wichtiger Schritt hin zu hautnah tragbaren Biosensoren“, erklärt Ulrike Kraft, Leiterin der Forschungsgruppe „Organische Bioelektronik“.
Diese Ergebnisse liefern nicht nur einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung im Bereich weicher, leitfähiger Materialien, sondern eröffnen auch neue Perspektiven für die Entwicklung innovativer Technologien – von flexiblen Elektroden für Elektrokardiogramme (EKG) bis hin zu dehnbaren Biosensoren auf der Haut, die Analyte wie Stresshormone im Schweiß detektieren und verfolgen können. Im nächsten Schritt soll das Verfahren auf die Herstellung und Charakterisierung dehnbarer Biosensoren ausgeweitet werden.
