Authors:	Lingstedt, Leona Viola
Title:	Organic Electrochemical Transistor for Biological Applications
Online publication date:	18-Jun-2019
Language:	english
Abstract:	Bioelectronics is a strong emerging field, bridging the interface of organic electronics with the world of biology. One popular theme has been to use the organic electrochemical transistor (OECT). Its key advantage is the local high amplification at low-voltage operation, offering excellent biocompatibility and ease of fabrication. The OECT has yielded a vast array of promising applications ranging from electrophysiology, by recordings of neural activity of organs, to biosensing, by the detection of analytes and metabolites. A further interesting aspect is the monitoring of cell coverage and cellular health of non-electrogenetic cells, among other for application in drug screening and targeting. The OECT has been shown as a complementary sensor for cell barrier integrity in comparison to traditional techniques such as immunofluorescence, permeability assay and transepithelial electrical resistance measurements. Nevertheless, the reversible control of cell layer opening in a high sensitive and temporal resolution, essential for the use in drug delivery systems, still suffers from deficits. In order to take advantage of the attractive properties of the OECT for biomedical applications as in improved assessment of cell layer integrity, the OECT needs to be further pushed towards greater sensitivity and efficiency to meet the requirements of high-performance biosensing. Therefore, the goal of this work is on the one hand to design OECTs of high performance, and on the other hand to establish efficient methods for improving barrier tissue characterization, by exploiting electrical as well as biological possibilities. The first two chapters focus on material improvements and device physics to create the foundation of OECTs for interfacing biology. Chapter 3 addresses material improvements of PEDOT:PSS as the conductive channel in the OECT, to drive towards high-performance biosensing: Organic solvent treatments, in particular the Post-Treatment method, have been exploited to significantly increase the conductivity of PEDOT:PSS, leading to improved OECT performances on the grounds of a phase segregation in PEDOT:PSS-rich and PSS-rich domains and enhanced structural order. The second part concentrates on alternative device configurations during measurements to increase sensitivity (Chapter 4). Next to the large transconductance towards high-performance biosensing, the sensitivity of ion detection can be increased by connecting the OECT in series with a current generator. The current-driven OECT has been demonstrated to yield the highest value for ion sensitivity, normalized to the supply voltage, ever reported for ion-sensitive transistors. Taking this into account, the following two chapters describe the final interfacing with biological membranes. For efficient biosensing, Chapter 5 pursues at first a classic approach by using an array of electrodes. Impedance spectroscopy studies on PEDOT:PSS-coated electrodes of various sizes, incorporating a cell layer, have demonstrated sensing and non-sensing regimes, depending on the area of the electrode. The determinant is given by the ratio of the impedance of the cell layer, to the impedance of the electrode, which has to be greater than one for biosensing capability. Next to electrodes, the OECT, as an active element, offers the possibility of creating small circuits. In the following drug screening experiments, the combination of the current-driven configuration of the OECT with integration of a cell layer, has led to a greater sensitive and temporal assessment of cell barrier integrity under the influence of toxins. Hydrogen peroxide has been used to induce permanent changes in its integrity (Chapter 6). The last two chapters are dedicated to explore ways to control the ability of the cells forming tissue barriers by external stimuli. To regain more control in a manner of reversible cell opening instead of permanent damages in the last chapter, tight junction modulators, as a form of chemical stimuli, have been investigated for its temporary impact on cell connections of adherent cells (Chapter 7). This issue has been even more intensified by the use of optogenetics tools to control cell-cell interactions with the precise use of light as an optical modulation (Chapter 8). Expressing photoswitchable proteins on the surface of a cell, cell-cell interaction in form of cell opening and closing has been investigated by its activation and inactivation upon light irradiation. Die Bioelektronik ist ein starkes Zukunftsfeld, das die Schnittstelle zwischen organischer Elektronik und der Welt der Biologie verbindet. Ein vielversprechendes Bauteil, das aus diesem Bereich hervorgeht, ist der organischen elektrochemischen Transistor (OECT). Sein Hauptvorteil ist die hohe lokale Verstärkung im Niederspannungsbetrieb, die zudem eine ausgezeichnete Biokompatibilität und einfache Herstellung bietet. Der OECT hat eine Vielzahl vielversprechender Anwendungen hervorgebracht, die von der Elektrophysiologie über die Aufzeichnung der neuronalen Aktivität von Organen bis hin zur Biosensorik durch den Nachweis von Analyten und Metaboliten reichen. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Überwachung von Zellwachstum und-abdeckung und der zellulären Gesundheit von nicht-elektrogenetischen Zellen, unter anderem für den Einsatz in Wirkstoffscreening und -targeting. Im Vergleich zu herkömmlichen Techniken wie Immunfluoreszenz, Permeabilitätstest und transepithelialen elektrischen Widerstandsmessungen, hat sich der OECT sich als komplementärer Sensortechnik für die Integrität von Zellbarrieren erwiesen. Jedoch leidet die reversible Kontrolle der Zellschichtöffnung in einer hochsensitiven und zeitlichen Auflösung immer noch unter Defiziten, die für den Einsatz in Wirkstoffabgabe-Systemen unerlässlich wäre. Um die attraktiven Eigenschaften des OECT für biomedizinische Anwendungen wie die verbesserte Beurteilung der Zellschichtintegrität zu nutzen, muss der OECT weiter in Bezug auf höherer Sensitivität und Effizienz vorangetrieben werden, um den Anforderungen des Hochleistungsbiosensors gerecht zu werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einerseits OECTs mit hoher Leistung zu entwickeln und andererseits effiziente Methoden zur Verbesserung der Charakterisierung von Barriere-Gewebe zu etablieren, indem sowohl elektrische als auch biologische Möglichkeiten ausgenutzt werden. Die ersten beiden Kapitel konzentrieren sich auf Materialverbesserungen und Bauteilenphysik, um die Grundlage für OECTs zur Verbindung mit der Biologie zu schaffen. Kapitel 3 behandelt wesentliche Verbesserungen von PEDOT:PSS als leitfähigem Kanal im OECT, um einen leistungsstarken Biosensor zu ermöglichen: Behandlungen mit organischen Lösungsmitteln, insbesondere die Nachbehandlungsmethode, wurden genutzt, um die Leitfähigkeit von PEDOT:PSS erheblich zu erhöhen. Dieses führte zu verbesserten OECT-Leistungen aufgrund einer Phasentrennung in PEDOT:PSS-reichen und PSS-reichen Domänen und einer verbesserten strukturellen Ordnung. Der zweite Teil konzentriert sich auf alternative Transistorkonfigurationen während der Messungen zur Erhöhung der Empfindlichkeit (Kapitel 4). Neben der großen Transkonduktanz gegenüber dem Hochleistungsbiosensor kann die Empfindlichkeit der Detektion von Ionen erhöht werden, indem der OECT in Reihe mit einem Stromgenerator geschaltet wird. Der stromgetriebene OECT liefert nachweislich den höchsten Wert für die Ionenempfindlichkeit, normiert auf die Versorgungsspannung, der jemals für ionensensitive Transistoren berichtet wurde. In Anbetracht dessen beschreiben die folgenden beiden Kapitel schließlich die Vernetzung mit biologischen Membranen. Für einen effizienten Biosensor verfolgt Kapitel 5 zunächst einen klassischen Ansatz mit Hilfe einer Reihe von Elektroden. Impedanzspektroskopie-Studien an PEDOT:PSS-beschichteten Elektroden verschiedener Größen, die eine Zellschicht beinhalten, haben messende und nicht-messende Bereiche gezeigt, abhängig von der Fläche der Elektrode. Die Determinante ergibt sich aus dem Verhältnis der Impedanz der Zellschicht zur Impedanz der Elektrode, die für die Biosensorfähigkeit größer als eins sein muss. Neben den Elektroden bietet der OECT als aktives Element die Möglichkeit, kleine Schaltkreise aufzubauen. In den folgenden Experimenten hat die Kombination der stromgesteuerten Konfiguration des OECT mit der Integration einer Zellschicht zu einer empfindlicheren und zeitlicheren Überwachung der Integrität der Zellbarriere unter dem Einfluss von Toxinen geführt. Hierzu wurde Wasserstoffperoxid verwendet, um eine dauerhafte Veränderung in der Integrität zu induzieren (Kapitel 6). Die letzten beiden Kapitel widmen sich der Ermittlung von Möglichkeiten die Fähigkeit der Zellen, Gewebebarrieren durch äußere Reize zu bilden, zu kontrollieren. Für eine reversible Zellöffnung anstelle von bleibenden Schäden, wurden Tight-Junction-Modulatoren als eine Form chemischer Reize auf ihre temporäre Wirkung auf die Zellverbindungen adhärenter Zellen untersucht (Kapitel 7). Dieses Problem wurde durch den Einsatz optogenetischer Werkzeuge zur Kontrolle von Zell-Zell-Interaktionen mit der präzisen Verwendung von Licht als optische Modulation noch weiter intensiviert (Kapitel 8). Die Expression von photoschaltbaren Proteinen auf der Oberfläche einer Zelle, um Zell-Zell-Interaktionen in Form von Zellöffnung und -schließung zu erzeugen, wurde durch ihre Aktivierung und Inaktivierung bei Lichteinstrahlung untersucht.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	Externe Einrichtungen
Place:	Mainz
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1988
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	in Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 141 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen