Elastomere Polydimethylsiloxan-Endgruppen zur Erzielung von verbesserter Löslichkeit und Schmelzverarbeitbarkeit von DPP-basierten polymeren Halbleitern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Franziska Lissel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436376809

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Bereich der Bioelektronik benötigen Materialien nicht nur elektronische Leitfähigkeit, sondern auch mechanische Flexibilität, um effektiv mit lebenden Organismen interagieren zu können. Anorganische Komponenten besitzen ein deutlich höheres Elastizitätsmodul als biologisches Gewebe, was Kapselbildung und entzündliche Reaktionen auslösen kann. Neue Materialien müssen Leitfähigkeit mit einem niedrigen Elastizitätsmodul (E- modul) vereinen, um mechanische Belastungen durch Körperbewegungen standzuhalten. Polymere haben im Vergleich zu anorganischen Materialien generell ein niedriges Elastizitätsmoduls haben. Jedoch ist das E-modul polymerer Halbleiter (0,1 - 1 GPa) mehrere Größenordnungen höher als das der menschlichen Haut (0,1 - 10 MPa). Bislang wurden verschiedene Ansätze erkundet, um niedrigmodulige polymere Halbleiter zu erreichen, beispielsweise die statistische Integration von nicht-konjugierten Monomeren, die Reduktion der Regioregularität der Polymerkette oder durch eine Modifikation der Seitenketten des Polymers. Jedoch geht Reduzierung des E-modul in der Regel mit einer Abnahme der Leitfähigkeit einher. Das DFG Projekt explorierte die Möglichkeit, die Phasentrennung von Block Copolymeren, ein gut bekanntes Phänomen der Polymertechnik, auf das Problem anzuwenden: Blockcopolymere bestehen aus zwei Polymerketten, welche an ihren Enden kovalent miteinander verbunden sind. Die Ketten trennen sich auf der Nanoskala, und die zwei entstehenden Phasen behalten die Eigenschaften des jeweiligen Poymers bei. Im DFG Projekt 436376809 wurden Triblock Copolymere (TBCs) synthetisiert, indem der polymere Halbleiter Polydiketopyrrolopyrrol-Thienothiophen (PDPP-TT) an beiden Enden kovalent mit zwei elastomeren Polydimethylsiloxan (PDMS) Ketten verbunden wurde. PDPP-TT ist ein hochmodernes polymeres Halbleitermaterial, während PDMS ein biokompatibler Elastomer ist. Die resultierenden TBCs sind weich und langlebig: Das TBC mit dem höchsten PDMS-Gehalt hat ein niedriges E-modul (5,5 MPa), im Bereich der menschlichen Haut liegt. Gleichzeitig erreicht das TBC eine Mobilität von 0,1 cm²V⁻¹s⁻¹, was in der Grössenordnung des reinen PDPP-TT (0,7 cm²V⁻¹s⁻¹) liegt. Im dotierten Zustand behält das TBC über mehr als 1500 Zyklen bei 50% Dehnung seine elektronische Funktionalität bei. Außerdem kann das TBC bei hohen Geschwindigkeiten scherverarbeitet werden, um glatte Filme mit erhöhter Dicke ohne Beeinträchtigung der elektrischen Leistung zu liefern. Durch Physisorption auf den aktiven Kanal wurden OFET-basierte Biosensoren hergestellt, die sowohl SARS-CoV-2-Antigene als auch Anti-SARS-CoV-2-Antikörper in weniger als 20 Minuten nachweisen können. Der resultierende Biosensor zeigt eine hohe Empfindlichkeit von etwa 19%/dek und eine Nachweisgrenze (LOD) von 0,36 fg/mL für Anti-SARS-CoV-2-Antikörper und gleichzeitig eine Empfindlichkeit von 32%/dek und eine LOD von 76,61 pg/mL für den Nachweis des Virusantigens. Die Ergebnisse des DFG Projekts zeigen, dass die Phasentrennung von Blockcopolymeren die Herstellung von biokompatiblen Materialien ermöglicht. Diese Materialien integrieren elektronische Funktionalität effektiv mit mechanischer Flexibilität und einem niedrigen Elastizitätsmodul. Die gewonnen Erkenntnisse haben das Potenzial, die Entwicklung neuer Materialsysteme und tragbarer (Bio)sensoren voranzutreiben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ultrasoft and High‐Mobility Block Copolymers for Skin‐Compatible Electronics. Advanced Materials, 33(4).
  Ditte, Kristina; Perez, Jonathan; Chae, Soosang; Hambsch, Mike; Al‐Hussein, Mahmoud; Komber, Hartmut; Formanek, Peter; Mannsfeld, Stefan C. B.; Fery, Andreas; Kiriy, Anton & Lissel, Franziska
  
• Charge Carrier Mobility Improvement in Diketopyrrolopyrrole Block-Copolymers by Shear Coating. Polymers, 13(9), 1435.
  Ditte, Kristina; Kiriy, Nataliya; Perez, Jonathan; Hambsch, Mike; Mannsfeld, Stefan C. B.; Krupskaya, Yulia; Maragani, Ramesh; Voit, Brigitte & Lissel, Franziska
  
• Rapid Detection of SARS-CoV-2 Antigens and Antibodies Using OFET Biosensors Based on a Soft and Stretchable Semiconducting Polymer. ACS Biomaterials Science & Engineering, 9(5), 2140-2147.
  Ditte, Kristina; Nguyen, Le Trang Anh; Ditzer, Oliver; Sandoval, Bojorquez Diana Isabel; Chae, Soosang; Bachmann, Michael; Baraban, Larysa & Lissel, Franziska
  
• Making organic electronics more flexible and softer. Nachrichten aus der Chemie 2022, 70 (3), 74
  F. Lissel
  
• Stretchable semiconducting triblock copolymer blends: Exploring the impact of block size. European Polymer Journal, 207, 112840.
  Ditzer, Oliver; Al-Hussein, Mahmoud; Henke, Fritz; Un, Nisa Sabour; Lissel, Franziska & Voit, Brigitte