Studium a optimalizace vlastností vodivého hydrogelu na bázi PEDOT

Abstract

Tato bakalářská práce se zaměřuje na studium a optimalizaci vlastností (viskoelastických, impedančních a hydratačních) vodivého hydrogelu na bázi PEDOT pro bioelektronické aplikace. Bioelektronika má velký potenciál pro nemocné lidi, kteří potřebují zařízení pro snímání, stimulaci nebo diagnostiku na povrchu či uvnitř těla. Tradiční elektronika využívá kovy jako aktivní materiály, ty však nejsou pro tuto aplikaci ideální, kvůli velkým rozdílům vlastností oproti živým tkáním. V posledních letech se do popředí dostávají vodivé hydrogely jako například čistý PEDOT hydrogel, které představují kompatibilnější alternativu jako aktivní materiály bioelektronických zařízení. Hydrogely však stále představují výzvu, protože jsou velmi náchylné na vysychání a jejich mechanické a elektrické vlastnosti se mění se stupněm hydratace. Proto je nutné tyto vlastnosti optimalizovat a stabilizovat použitím vhodného stabilizátoru. Tato bakalářská práce se věnuje právě této problematice, jejím cílem je prostudovat závislost klíčových vlastností vodivého hydrogelu na stupni hydratace a možnosti tyto vlastnosti stabilizovat pomocí vhodného stabilizátoru. Na základě literární rešerše byl vybrán stabilizátor ethylenglykol (EG), který je známý tím, že zvyšuje retenci vody hydrogelu. Materiál studovaný v této práci byl čistý PEDOT:PSS hydrogel, jehož gelace byla indukována přídavkem povrchově aktivní látky DBSA. Byly studovány mechanické vlastnosti takto připraveného hydrogelu využitím reologických měření a elektrické vlastnosti pomocí impedančních měření. V rámci bakalářské práce bylo prokázáno, že stabilizátor má na výsledné vlastnosti hydrogelů zásadní vliv. Stabilizované hydrogely vykazovaly lepší schopnost udržovat si hydrataci po delší dobu a při zpětné rehydrataci byly schopny přijmout až dvojnásobné množství vody oproti nestabilizované struktuře, což značí, že úprava hydrogelu měla výrazně pozitivní vliv na jeho schopnost opravovat svoji strukturu. Youngův modul stabilizovaného hydrogelu se oproti čistému hydrogelu v průběhu vysychání mění pouze minimálně, což značí, že si tento materiál uchovává svoji pružnost. Elektrická vodivost těchto stabilizovaných hydrogelů naopak ještě výrazně vzrostla oproti čistému hydrogelu. Stabilizované hydrogely tak vykazují větší aplikační potenciál pro dlouhodobé použití v bioelektronice než čistý PEDOT:PSS hydrogel.

This bachelor's thesis focuses on the study and optimization of the properties (viscoelastic, impedance, and hydration) of a conductive hydrogel based on PEDOT for bioelectronic applications. Bioelectronics holds great potential for patients who require devices for sensing, stimulation, or diagnostics on the surface or inside the body. Traditional electronics use metals as active materials; however, these are not ideal for such applications due to significant differences in properties compared to living tissues. In recent years, conductive hydrogels such as pure PEDOT hydrogel have emerged as more compatible alternatives for use as active materials in bioelectronic devices. Nevertheless, hydrogels still pose challenges, particularly due to their high sensitivity to dehydration, which causes their mechanical and electrical properties to change with the degree of hydration. It is therefore necessary to optimize and stabilize these properties using a suitable stabilizer. This bachelor’s thesis addresses this issue, with the goal of studying the dependence of key properties of the conductive hydrogel on the level of hydration, and the possibilities of stabilizing these properties through an appropriate stabilizing agent. Based on a literature review, ethylene glycol (EG) was selected as the stabilizer, known for enhancing water retention in hydrogels. The material studied in this work was a pure PEDOT:PSS hydrogel, with gelation induced by the addition of the surfactant DBSA. The mechanical properties of the hydrogel were investigated using rheological measurements, and the electrical properties were studied via impedance spectroscopy. The results of the thesis demonstrate that the stabilizer has a significant impact on the final properties of the hydrogels. The stabilized hydrogels exhibited better water retention over time and, upon rehydration, were able to absorb up to twice as much water compared to the non-stabilized structure. This indicates that the hydrogel modification had a markedly positive effect on its ability to self-repair. The Young’s modulus of the stabilized hydrogel changed only minimally during drying compared to the pure hydrogel, indicating that the material retained its elasticity. In contrast, the electrical conductivity of the stabilized hydrogels increased significantly compared to the pure hydrogel. Thus, the stabilized hydrogels show greater application potential for long-term use in bioelectronics than the unmodified PEDOT:PSS hydrogel.