Stabilité du PEDOT:PSS sous l'application de potentiels élevés dans divers environnements (sec, aqueux et non aqueux) pour une application potentielle en électroporation

Les polymères conducteurs (PCs) sont une classe passionnante de matériaux électroniques organiques, qui ont suscité un intérêt croissant dans les domaines de la bioélectronique et de leurs applications biomédicales. Leurs caractéristiques uniques telles que la conductivité mixte ionique-électronique ainsi qu’une bonne biocompatibilité en font des candidats privilégiés pour un conduit efficace entre les mondes de l’électronique et de la biologie [1]. Un exemple de polymère conducteur est le poly(3,4-éthylènedioxythiophène):poly(styrène sulfonate) en abrégé PEDOT:PSS. Sous de faibles tensions <1V, le PEDOT:PSS peut accumuler et libérer des charges électriques de manière réversible sans entrer dans des processus de réaction redox (réduction et oxydation), ce qui assure sa stabilité. Cependant, les performances du PEDOT:PSS sous hautes tensions sont encore peu explorées. Notre étude s’est donc concentrée sur la stabilité électrique et électrochimique des électrodes de PEDOT:PSS sous fortes tensions et dans différents milieux (sec, aqueux (PBS (Solution tampon de phosphate)) et non aqueux (liquide ionique (CYPHOS IL106)). Dans le cadre d’une utilisation des électrodes de PEDOT:PSS en l’électroporation, où l’application de champs électriques pulsés augmente la perméabilité des membranes cellulaires et des tissus par a formation temporaire de pores, la stabilité du matériau est cruciale. Après application de hauts potentiels sur les électrodes de PEDOT:PSS fabriquées par impression directe et dans divers environnements, les résultats ont montré que le PEDOT:PSS reste stable jusqu’à 20V dans un environnement sec, avec une linéarité courant-tension et sans dégradation apparente, ce qui le rend prometteur pour des applications sous haute tension. En milieu aqueux (PBS), la stabilité électrique du PEDOT:PSS est limitée à des tensions inférieurs à 1,5V en raison de la baisse de courant due à la présence d’eau contenue dans le PBS. En présence de liquide ionique (CYPHOS IL106), les électrodes de PEDOT:PSS supportent des tensions jusqu’à 5V, mais des fluctuations se produisent au-delà de 10V. Les tests d’impulsions électriques ont révélé qu’une impulsion très courte (0,1ms) ne permettait pas d’évaluer la stabilité du matériau, tandis que des impulsions de durée de pulsation moyenne (20ms à 100ms) favorisaient la stabilité du PEDOT:PSS pour des applications pulsées, avec des tensions inférieures à 2V en présence de PBS et inférieures à 10V en présence de liquide ionique. En revanche, des impulsions plus longues (1s) entrainaient une dégradation du matériau à ces mêmes tensions.

Abstract

Conductive polymers (CPs) represent a fascinating category of organic electronic materials, garnering increasing attention in bioelectronics and biomedical applications. Their distinctive properties, including the ability to conduct both ions and electrons, as well as their excellent biocompatibility, position them as ideal mediators between the realms of electronics and biology » [1]. One example of a conductive polymer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate, abbreviated PEDOT:PSS. At low voltages <1V, PEDOT:PSS can accumulate and release electrical charges reversibly without entering into redox reaction processes (reduction and oxidation), which ensures its stability. However, the performance of PEDOT:PSS at high voltages has yet to be fully explored. Our study therefore focused on the electrical and electrochemical stability of PEDOT:PSS electrodes under high voltages and in different media (dry, aqueous (PBS (Phosphate Buffer Solution)) and non-aqueous (ionic liquid (CYPHOS IL106)). In the context of using PEDOT:PSS electrodes in electroporation, where the application of pulsed electric fields increases the permeability of cell and tissue membranes through the temporary formation of pores, the stability of the material is crucial. After applying high potentials to PEDOT:PSS electrodes fabricated by direct printing and in various environments, the results showed that PEDOT:PSS remains stable up to 20V in a dry environment, with current-voltage linearity and no apparent degradation, making it promising for high-voltage applications. In an aqueous environment (PBS), the electrical stability of PEDOT:PSS is limited to voltages below 1.5V due to the drop in current caused by the presence of water in the PBS. In the presence of ionic liquid (CYPHOS IL106), PEDOT:PSS electrodes withstand voltages up to 5V, but fluctuations appear above 10V. Electrical pulse tests revealed that a very short pulse (0.1ms) did not allow the stability of the material to be assessed, while medium pulse duration pulses (20ms to 100ms) favoured the stability of PEDOT:PSS for pulsed applications, with voltages of less than 2V in the presence of PBS and less than 10V in the presence of ionic liquid. On the other hand, longer pulses (1s) led to material degradation at these voltages.