PEDOT:PSS-based Multilayer Bacterial-Composite Films for Bioelectronics.
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DOI：
10.1038/s41598-018-33521-9
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发表时间：
2018-10-16
影响因子：
4.6
通讯作者：
Ajo-Franklin CM
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zajdel TJ;Baruch M;Méhes G;Stavrinidou E;Berggren M;Maharbiz MM;Simon DT;Ajo-Franklin CM
微生物电化学系统提供了一种环境友好的化学和电形式之间的能量转换方式，在废水处理，生物电子学和生物传感器中具有应用。然而，生物电子学和生物传感器的进一步开发、小型化和部署的主要挑战是生物膜的厚度有限，需要大的阳极来实现足够的信噪比。在这里，我们展示了一种方法，用于嵌入的电活性细菌，希瓦氏菌oneidensis MR-1，内导电三维聚（3，4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）矩阵电聚合在碳毡基板上，我们称之为多层导电细菌复合膜（MCBF）。通过在流通方法中将细菌与PEDOT：PSS前体混合，我们保持了超过90%的S.在封装过程中，MCBF的显微镜分析揭示了细菌和导电PEDOT：PSS的紧密交织结构，厚度高达80 µm。电化学实验表明S.在MCBF中的oneidensis可以进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT：PSS。当用于生物电化学反应器中时，MCBF产生的稳态电流是在未改性碳毡上生长的天然生物膜的20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的多功能方法在微生物电化学系统中具有直接应用，包括现场部署的环境传感和将微生物直接集成到小型化有机电子器件中。
Microbial electrochemical systems provide an environmentally-friendly means of energy conversion between chemical and electrical forms, with applications in wastewater treatment, bioelectronics, and biosensing. However, a major challenge to further development, miniaturization, and deployment of bioelectronics and biosensors is the limited thickness of biofilms, necessitating large anodes to achieve sufficient signal-to-noise ratios. Here we demonstrate a method for embedding an electroactive bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, inside a conductive three-dimensional poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) matrix electropolymerized on a carbon felt substrate, which we call a multilayer conductive bacterial-composite film (MCBF). By mixing the bacteria with the PEDOT:PSS precursor in a flow-through method, we maintain over 90% viability of S. oneidensis during encapsulation. Microscopic analysis of the MCBFs reveal a tightly interleaved structure of bacteria and conductive PEDOT:PSS up to 80 µm thick. Electrochemical experiments indicate S. oneidensis in MCBFs can perform both direct and riboflavin-mediated electron transfer to PEDOT:PSS. When used in bioelectrochemical reactors, the MCBFs produce 20 times more steady-state current than native biofilms grown on unmodified carbon felt. This versatile approach to control the thickness of bacterial composite films and increase their current output has immediate applications in microbial electrochemical systems, including field-deployable environmental sensing and direct integration of microorganisms into miniaturized organic electronics.
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