[論文レビュー] Organic Electronics in Biosensing: A Promising Frontier for Medical and Environmental Applications

Jyoti Kaushal, Pratima Raut+1 more|PubMed|Sep 27, 2023

Conducting polymers and applications参考文献 179被引用数 6

ひとこと要約

このレビューでは、導電性ポリマーとフレキシブルデバイスを活用して、バイオ分子および環境汚染物質の感度高く、リアルタイムでラベルフリーの検出を可能にする、有機エレクトロニクスを変革的プラットフォームとして探求する。ウェアラブル診断、インプラントセンサ、IoT統合型システムへの応用を強調し、生体適合性、材料のチューニング可能性、スケーラブルなプロセスを重視して、パーソナライズド・メディスンおよび環境監視に貢献する。

ABSTRACT

The promising field of organic electronics has ushered in a new era of biosensing technology, thus offering a promising frontier for applications in both medical diagnostics and environmental monitoring. This review paper provides a comprehensive overview of organic electronics' remarkable progress and potential in biosensing applications. It explores the multifaceted aspects of organic materials and devices, thereby highlighting their unique advantages, such as flexibility, biocompatibility, and low-cost fabrication. The paper delves into the diverse range of biosensors enabled by organic electronics, including electrochemical, optical, piezoelectric, and thermal sensors, thus showcasing their versatility in detecting biomolecules, pathogens, and environmental pollutants. Furthermore, integrating organic biosensors into wearable devices and the Internet of Things (IoT) ecosystem is discussed, wherein they offer real-time, remote, and personalized monitoring solutions. The review also addresses the current challenges and future prospects of organic biosensing, thus emphasizing the potential for breakthroughs in personalized medicine, environmental sustainability, and the advancement of human health and well-being.

研究の動機と目的

• 医療および環境応用におけるバイオセンシングにおける有機エレクトロニクスの包括的概要を提供すること。
• 従来の酸化物半導体センサと比較して、柔軟性、生体適合性、低コストプロセスといった有機材料の独自の利点を分析すること。
• ウェアラブルデバイスおよびインターネット・オブ・シングス（IoT）への有機バイオセンサの統合を検討し、リアルタイムで遠隔地の健康状態および環境モニタリングを可能にすること。
• 生体適合性、安定性、スケーラビリティ、データセキュリティといった主な課題を特定し、それらを克服するための新興戦略を評価すること。
• 今後の方向性を予測し、AI統合型スマートセンサ、自己キャリブレーションシステム、持続可能でエネルギー回収型の設計を含む。

提案手法

• 導電性ポリマー、有機フィールド効果トランジスタ（OFETs）、有機電気化学的トランジスタ（OECTs）、有機フォトダイオード（OPDs）を含む、最新の有機バイオエレクトロニクス材料に関する体系的レビュー。
• バイオ分子および汚染物質の検出を目的とした、電気化学的、光学的、圧電的、熱応答性の有機デバイスにおけるセンシングメカニズムの分析。
• インクジェット印刷、スピンコーティング、ロールツーロール処理などのプロセス技術を評価し、フレキシブルバイオセンサのスケーラブルで低コストなプロダクションを実現すること。
• 無線通信モジュールおよびIoTプラットフォームと有機バイオセンサを統合し、リアルタイムで遠隔地へのデータ送信および監視を可能にすること。
• 動的サンプリング、自己キャリブレーション、マルチモーダルセンサ統合、周囲からのエネルギー回収といった新興概念の探求。
• 持続可能性のトレンドの評価として、生分解性材料の使用およびセンサ設計と製造における環境影響の低減。

Figure 1: Chemical structure of commonly used conducting polymers: polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene(PTs), polyacetylene, polyphenylene, and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生体適合性、柔軟性、チューナブルな電気伝導性といった有機材料の固有の特性が、酸化物センサと比較してバイオセンシング性能をどのように向上させるか？
• RQ2 感度の高いラベルフリー検出を可能にする主なデバイス構造（例：OFETs、OECTs、OPDs）は何か？
• RQ3 有機バイオセンサをウェアラブルプラットフォームおよびIoTエコシステムに効果的に統合する方法は何か？ これにより、継続的かつリアルタイムの健康状態および環境モニタリングが可能になる。
• RQ4 長期的安定性、スケーラビリティ、データプライバシーといった主な技術的およびシステム的課題は何か？ それらが有機バイオセンサの臨床的および環境的展開を制限している。
• RQ5 AI駆動の意思決定、自己キャリブレーション、エネルギー回収といった今後のイノベーションは、次世代の知能型バイオセンシングプラットフォームを実現するためにどのような役割を果たすか？

主な発見

• 導電性ポリマーは、化学的または電気化学的ドーピングによって電気伝導度をチューニングでき、電荷キャリアのモード変化によってバイオ分子の高感度検出が可能である。
• 有機フィールド効果トランジスタ（OFETs）および有機電気化学的トランジスタ（OECTs）は、複雑な生物学的液体中のイオン、代謝物、タンパク質の検出において、高速応答性と高い感度を示している。
• フレキシブルでコンフォーマブルな有機バイオセンサは、皮膚や組織に滑らかに統合可能であり、長期的なインビボおよびウェアラブル健康モニタリングの応用を支援する。
• 有機バイオセンサとIoTプラットフォームの統合により、生理的および環境的パrameterのリアルタイムで遠隔地のパーソナライズドモニタリングが可能となり、テレヘルスおよび予防医療の向上が図られる。
• 自己キャリブレーションセンサ、動的サンプリング、マルチモーダルセンサ統合といった新興トレンドは、バイオセンシングシステムの正確性、信頼性、エネルギー効率を向上させる。
• 生分解性材料およびエネルギー回収技術を用いた持続可能な設計アプローチは、環境への影響低減およびリソースが限られた地域への展開に潜在的効果を示している。

Figure 2: Chemical structures of organic semiconductors (a) $\pi$ -conjugated small molecular families based semiconductors, and (b) polymer-based semiconductors.