From Biopigments to BIOelectronics: MOdelling Semiconducting EumelAnin-based InterfaCes

Description du projet

Un pigment brun-noir trouvé chez l’être humain pourrait se révéler crucial pour le domaine de la bioélectronique

Les ingénieurs et les scientifiques intensifient leur quête de matériaux non toxiques et biocompatibles dotés de propriétés bio-inspirées, pour une utilisation dans les domaines de l’ingénierie tissulaire, de la bioélectronique organique, et plus encore. L’un des biomatériaux étudiés les plus passionnants est la mélanine et les polymères qui lui sont associés, notamment l’eumélanine dotée d’une conductivité électronique et d’une conductivité ionique mixte sans précédent. Le projet BIOMOSAIC, financé par l’UE, entend se pencher sur ses interactions avec des environnements typiques de ceux présents dans les systèmes vivants. Les expériences menées ouvriront la voie à la caractérisation de ses interactions avec l’eau et les électrolytes, afin de développer un modèle de conduction mixte capable d’influencer la conception et le développement de nouveaux dispositifs bioélectroniques.

Objectif

The overall aim of this proposal is to build a comprehensive model of ionic and electronic transport in organic bioelectronics considering a prototypical material, eumelanin, as a proof of concept. Bioelectronic devices are used in nanomedicine for implantable, wearable and sensing applications. Eumelanin is a natural biocompatible semiconductor with great potential in bioelectronics due to its joint electronic and ionic conductivity. However, a full picture of its interactions with water and electrolytes and how these influence its semiconducting properties is still missing, thus holding back a systematic improvement of eumelanin-based devices. This project will provide the first unified picture of eumelanin’s mixed conduction by simulating electronic and ionic charge transport at device-relevant scales and combining them in a numerical model. This will be achieved through four innovative steps towards eumelanin characterisation: i) reactive molecular dynamics (MD) simulations will capture the details of water-eumelanin interactions; ii) a classical MD approach will describe ionic conduction in hydrated eumelanin; iii) electronic structure methods will relate eumelanin’s morphology to its electronic conductivity. iv) The previous insight will be combined in a model describing mixed conduction in eumelanin-based devices, allowing the formulation of general design rules for the development of new bioelectronic materials. Planned collaborations with leading groups in eumelanin bioelectronics will provide experimental data to build and validate the model, resulting in high-impact publications and contributing to European competitiveness in bioelectronics. The complementary nature of the researcher and host’s research profiles is instrumental in fulfilling the complex, interdisciplinary aims of the project. The Fellowship will allow the researcher to expand her knowledge beyond her existing skills, enabling her transition towards an independent academic career.