DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41328-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41896565
تاريخ النشر: 2026-03-27
المؤلف: Shahab Ahmadi Seyedkhani وآخرون
الموضوع الرئيسي: البوليمرات الموصلة وتطبيقاتها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون مركب بوليمر موصل جديد، بوليدوبامين (PDA) المخلوط مع بولي(3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT-PDA)، تم تطويره لتطبيقات واجهة عصبية محسنة على أقطاب نيتريد التيتانيوم (TiN). تم إنشاء أفلام TiN، التي يبلغ سمكها حوالي 150 نانومتر، باستخدام ترسيب البخار الفيزيائي، تلاها عملية بوليمرة كهربائية سريعة لتشكيل طبقات PEDOT وPEDOT-PDA. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث الميداني والمجهر الذري، أن أفلام PEDOT-PDA تمتلك بنية مضغوطة وزيادة في خشونة السطح، مما يساهم في تحسين الاستقرار الميكانيكي وكفاءة نقل الشحنة. ومن الجدير بالذكر أن دمج PDA أدى إلى سطح فائق الترطيب بزاوية تماس تبلغ 7°، وهو أقل بكثير من 65° لأفلام PEDOT النقية.
أظهر التحليل الكهروكيميائي أن واجهات PEDOT-PDA حققت مقاومة منخفضة تبلغ 0.27 أوم، وهو أقل بأكثر من 94% من مقاومة الأقطاب الذهبية التجارية (4.7 أوم)، مما يسهل نقل الشحنة المختلطة من الأيونات والإلكترونات بكفاءة. تجاوزت التوافق الحيوي لجميع العينات 85% من حيوية الخلايا، حيث عززت PEDOT-PDA بشكل خاص التصاق الخلايا وانتشارها، كما يتضح من اختراق الفيلوبوديا الواسع. أكدت المحاكاة الحاسوبية هذه النتائج، حيث أظهرت أن تخديم PDA حسن من طاقة الربط لأفلام PEDOT المعتمدة على الأغشية الخلوية بنسبة تصل إلى 685% وزاد من انتشار الجزيئات الجانبي عند الواجهة بنسبة تقارب 1000%. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركبات PEDOT-PDA تعزز بشكل كبير التفاعلات البيولوجية والكهروكيميائية عند واجهة الخلية-القطب، مما يجعلها مادة واعدة للزراعة العصبية المتقدمة وتقنيات التواصل بين الدماغ والكمبيوتر.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك مونومر EDOT، هيدروكلوريد الدوبامين (DPH)، وبيركلورات الليثيوم (LiClO₄)، جميعها تم الحصول عليها من سيغما-ألدريتش (الولايات المتحدة الأمريكية). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) و مصل جنين العجل (FBS) من جيبكو (الولايات المتحدة الأمريكية)، بينما تم الحصول على وسط ديلبيكو المعدل (DMEM) من شركة بيوسيرا (الولايات المتحدة الأمريكية). تم شراء مادة اختبار MTT، 3-(4،5-ثنائي ميثيل ثيازول-2-يل)-2،5-ثنائي فينيل تيترازوليوم بروميد، من كارل روث GmbH (ألمانيا)، وتم توفير ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) أيضًا من سيغما-ألدريتش (الولايات المتحدة الأمريكية). تم تزويد خلايا ل929 الليفية من المركز الإيراني للموارد البيولوجية (IBRC)، وتم الحصول على البرتقالي الأكريدين (AO) بالإضافة إلى بروميد الإيثيديوم (ETH) من سيغما-ألدريتش (الولايات المتحدة الأمريكية). تم الحصول على شرائح زجاجية استخدمت كركائز من شركة جيانغسو هوي دا للأجهزة الطبية (JSHD Ltd.، الصين).
شملت الإجراءات التجريبية تطبيق هذه المواد في سلسلة من الاختبارات والتجارب لتقييم التأثيرات البيولوجية والتفاعلات للمركبات قيد الدراسة. تم استخدام منهجيات محددة لزراعة الخلايا، والعلاج، والتحليل لضمان قابلية التكرار والدقة في النتائج، على الرغم من عدم تقديم خطوات إجرائية مفصلة في هذا القسم.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج حسابية من دراستهم حول واجهات PEDOT وPDA العصبية، مع التركيز على تحسين التشكيل، ومحاكاة الديناميات الجزيئية، وتأثيراتها على أداء واجهة الأعصاب. كشفت عملية تحسين التشكيل الأولية باستخدام مجال القوة الجزيئية من ميرك (MMFF) عن مستويات طاقة مميزة بين مختلف المتغيرات لـ PEDOT وPDA، مع اختيار المتغيرات الأكثر استقرارًا لمزيد من المحاكاة. تضمنت التكوينات التي تم تطويرها للتحليل Cell-PEDOT وCell-PEDOT-PDA وCell-PDA-PEDOT، مما يبرز الدور الحاسم لاستقرار التشكيل في تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للواجهة العصبية، خاصة فيما يتعلق بالتفاعلات مع الأغشية البيولوجية.
قامت محاكاة الديناميات الجزيئية (MD) بتحديد طاقات الربط بين الواجهات العصبية والغشاء الخلوي، مما يكشف أن دمج PDA يعزز بشكل كبير من الألفة الربط. كانت طاقة الربط المتوسطة لواجهة PEDOT/PDA حوالي -244 كيلو كالوري/مول، بزيادة قدرها 687% مقارنة بـ PEDOT النقي (-31 كيلو كالوري/مول). بالإضافة إلى ذلك، أشار تحليل الانتشار الجانبي (LD) إلى أن تكوين PDA/PEDOT أظهر قيمة LD ملحوظة تبلغ حوالي 132.4 ميكرومتر²/ثانية، وهو أعلى بنسبة تقارب 1000% من التكوينات الأخرى، مما يشير إلى أن PDA يعزز من حركة الجزيئات وقد يحسن من نفاذية الأيونات وكفاءة نقل الشحنة. كما قيمت الدراسة العدد المتوسط للاتصالات (ANCs) والمسافات الدنيا بين الغشاء الخلوي والواجهات العصبية، حيث وجدت أن PDA يعزز من التفاعلات الأقوى وزيادة تكرار الاتصال، مما يعزز من إمكانية تسجيل الإشارات الكهربية الفسيولوجية بشكل فعال.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش البحث إعداد وتوصيف طلاءات نيتريد التيتانيوم (TiN) وأفلام PEDOT المعتمدة على التطبيقات المحتملة في الواجهات العصبية. تم ترسيب طبقة TiN على ركائز زجاجية باستخدام ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) تحت ظروف فراغ عالية، مما أدى إلى فيلم موحد بخشونة نانوية تعزز ديناميات نقل الشحنة والتشابك الميكانيكي. بعد ترسيب TiN، تم تصنيع أفلام PEDOT النقية وPEDOT-dopamine (PEDOT-PDA) عبر البوليمرة الكهربائية، حيث تم دمج الدوبامين لتحسين الالتصاق والتوافق الحيوي. تم تحليل الخصائص الشكلية والكهروكيميائية لهذه الطلاءات بدقة باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث الميداني (FESEM)، والمجهر الذري (AFM)، وطيف الامتصاص الكهروكيميائي (EIS).
تشير النتائج إلى أن مركب PEDOT-PDA أظهر تفوقًا في الترطيب والأداء الكهروكيميائي مقارنةً بكل من PEDOT النقي وTiN، مع انخفاض كبير في قيم المقاومة، خاصة عند 1 كيلو هرتز. أظهر فيلم PEDOT-PDA مقاومة تبلغ حوالي 270 أوم، متفوقًا على الطلاءات الأخرى، مما يشير إلى إمكانيته في تعزيز نقل الإشارات الكهربائية في التطبيقات العصبية. تسلط الدراسة الضوء على أهمية خشونة السطح وقابلية الترطيب في تعزيز التصاق الخلايا وتكاثرها، مما يحسن من تكامل الواجهات العصبية مع الأنسجة البيولوجية. بشكل عام، يمثل الجمع بين طلاءات TiN وPEDOT-PDA نهجًا واعدًا لتطوير أقطاب عصبية فعالة تحاكي المصفوفة خارج الخلوية، مما يسهل التكامل الحيوي الأفضل والوظائف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41328-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41896565
Publication Date: 2026-03-27
Author(s): Shahab Ahmadi Seyedkhani et al.
Primary Topic: Conducting polymers and applications
Overview
In this study, the authors present a novel conductive polymer composite, polydopamine (PDA)-doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT-PDA), developed for enhanced neural interfacing applications on titanium nitride (TiN) electrodes. The TiN films, approximately 150 nm thick, were created using physical vapor deposition, followed by rapid galvanostatic electrochemical co-polymerization to form PEDOT and PEDOT-PDA layers. Characterization techniques, including field-emission scanning electron microscopy and atomic force microscopy, revealed that the PEDOT-PDA films possess a compact architecture and increased surface roughness, which contribute to improved mechanical stability and charge transport efficiency. Notably, the incorporation of PDA resulted in a superhydrophilic surface with a contact angle of 7°, significantly lower than the 65° of pure PEDOT films.
Electrochemical analysis demonstrated that PEDOT-PDA interfaces achieved a low impedance of 0.27 Ω, which is over 94% lower than that of commercial gold electrodes (4.7 Ω), facilitating efficient ion-electron mixed charge transfer. The biocompatibility of all samples exceeded 85% cell viability, with PEDOT-PDA particularly enhancing cell adhesion and spreading, as indicated by extensive filopodia penetration. Computational simulations corroborated these findings, showing that PDA doping improved the binding energy of PEDOT-based films to cellular membranes by up to 685% and increased lateral molecular diffusion at the interface by nearly 1000%. Overall, the results suggest that PEDOT-PDA composites significantly enhance biological and electrochemical interactions at the cell-electrode interface, positioning them as a promising material for advanced neural implants and brain-computer communication technologies.
Methods
In this study, various chemical reagents were utilized, including the EDOT monomer, dopamine hydrochloride (DPH), and lithium perchlorate (LiClO₄), all procured from Sigma-Aldrich (USA). Additionally, phosphate-buffered saline (PBS) and fetal bovine serum (FBS) were sourced from Gibco (USA), while Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) was obtained from Biosera Co. (USA). The MTT assay reagent, 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide, was purchased from Carl Roth GmbH (Germany), and dimethyl sulfoxide (DMSO) was also provided by Sigma-Aldrich (USA). L929 fibroblast cells were supplied by the Iranian Biological Resource Center (IBRC), and acridine orange (AO) along with ethidium bromide (ETH) were acquired from Sigma-Aldrich (USA). Glass slides used as substrates were sourced from Jiangsu Huida Medical Instruments Co. (JSHD Ltd., China).
The experimental procedures involved the application of these materials in a series of assays and tests to evaluate the biological effects and interactions of the compounds under investigation. Specific methodologies for cell culture, treatment, and analysis were employed to ensure reproducibility and accuracy in the results, although detailed procedural steps were not provided in this section.
Results
In this section, the authors present computational results from their study on PEDOT and PDA neural interfaces, focusing on conformational optimization, molecular dynamics simulations, and their implications for neural interface performance. Initial conformational optimization using the Merck Molecular Force Field (MMFF) revealed distinct energy levels among various conformers of PEDOT and PDA, with the most stable conformers selected for further simulations. The configurations developed for analysis included Cell-PEDOT, Cell-PEDOT-PDA, and Cell-PDA-PEDOT, highlighting the critical role of conformational stability in determining the physicochemical properties of the neural interface, particularly regarding interactions with biological membranes.
Molecular dynamics (MD) simulations quantified the binding energies between the neural interfaces and the cell membrane, revealing that PDA incorporation significantly enhances binding affinity. The average binding energy for the PEDOT/PDA interface was approximately -244 kcal/mol, a 687% increase compared to pure PEDOT (-31 kcal/mol). Additionally, lateral diffusion (LD) analysis indicated that the PDA/PEDOT configuration exhibited a remarkable LD value of approximately 132.4 μm²/s, nearly 1000% higher than other configurations, suggesting that PDA enhances molecular mobility and may improve ionic permeability and charge transfer efficiency. The study also assessed the average number of contacts (ANCs) and minimum distances between the cell membrane and neural interfaces, finding that PDA promotes stronger interactions and increased contact frequency, thereby enhancing the potential for effective electrophysiological signal recording.
Discussion
In this section, the research discusses the preparation and characterization of titanium nitride (TiN) coatings and PEDOT-based films for potential applications in neural interfaces. The TiN layer was deposited on glass substrates using physical vapor deposition (PVD) under high vacuum conditions, resulting in a uniform film with nanoscale roughness that enhances charge transfer dynamics and mechanical interlocking. Following the TiN deposition, pure PEDOT and PEDOT-dopamine (PEDOT-PDA) films were synthesized via electropolymerization, with the latter incorporating dopamine to improve adhesion and biocompatibility. The morphological and electrochemical properties of these coatings were thoroughly analyzed using techniques such as field-emission scanning electron microscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
The findings indicate that the PEDOT-PDA composite exhibited superior hydrophilicity and electrochemical performance compared to both pure PEDOT and TiN, with a significant reduction in impedance values, particularly at 1 kHz. The PEDOT-PDA film demonstrated an impedance of approximately 270 Ω, outperforming the other coatings and suggesting its potential for enhanced electrical signal transmission in neural applications. The study highlights the importance of surface roughness and wettability in promoting cell adhesion and proliferation, thereby improving the integration of neural interfaces with biological tissues. Overall, the combination of TiN and PEDOT-PDA coatings presents a promising approach to developing effective neural electrodes that mimic the extracellular matrix, facilitating better biointegration and functionality.