Free-standing multilayered membranes based on graphene and natural polymers for biomedical applications

Abstract

In several biomedical applications, one of the major disadvantages of natural polymers is their low mechanical performances. Such drawback has led scientists to search for new materials capable to improve their mechanical properties. In the last few years, graphene and graphene oxide (GO) nanocomposite materials have been proposed to be used in different applications due their outstanding mechanical and electrical properties. We hypothesized that the incorporation of such materials could be useful for biomedical applications. To achieve this goal, we transpose the layerby- layer technology for the production of nanostructured free-standing (FS) polymeric membranes that have such nanofillers in their composition. To this end, chitosan (CHI, polycation) and alginate (ALG, polyanion) were used as a biopolymeric matrix and GO (polyanion) as a reinforcement nanofiller. Prior to FS membranes production, different GO were synthetized, using a modified Hummers' method, from two diferente materials: exfoliated graphite and multi-walled carbon nanotubes, resulting in oxidized graphene flakes (o-GF) and graphene nanoribbons (o-GNR), respectively. Such oxidation process provided oxygen functional groups that among other features improve the bonding with biopolymers. Three membranes were developed, (CHI/ALG/CHI/ALG)100 that acted as controls, while (CHI/ALG/CHI/o-GF)100 and (CHI/ALG/CHI/o-GNR)100 were built up as proof of concept. The morphological analysis was performed by scanning electron microscopy, atomic force microcopy and Raman mapping. The physical properties were assessed by thermogravimetric analysis, water contact angle measurements, water uptake and weight loss. Tensile tests and dynamic mechanical analysis were employed to test the mechanical behavior of the FS membranes. Moreover, biological assays using L929 mouse fibroblasts line were executed to investigate their cytocompablity. Our results showed that the addition of both o-GF and o-GNR forms improved the mechanical properties however with no significant changes on the thermal properties. At the same time, the FS membranes presented a rough surface and an hydrophilic behavior. Concerning the cellular assays, the FS membranes with o-GF revealed a better promotion of cell adhesion and proliferation than both controls and o-GNR FS membranes. The outcomes of this thesis suggests that o-GF membranes may have potential for wound healing, cardiac and bone applications.

Em diferentes aplicações biomédicas, uma das maiores desvantagens apresentadas pelos polímeros naturais são as baixas propriedades mecânicas. Tais desvantagens têm levado a uma maior procura de soluções, nomeadamente através do desenvolvimento de nanocompósitos de grafeno e de grafeno oxidado. Neste trabalho, foi estudado os benefícios que o uso destes materiais podem trazer para aplicações biomédicas. Para tal, foi usada a técnica de camada-a-camada para a produção de membranas poliméricas free-standing, onde, quitosano (CHI, policatião) e alginato (ALG, polianião) foram usados como matriz biopolimérica e o grafeno oxidado (GO) como um nanomaterial de reforço. Antes da deposição das diversas camadas foi necessário proceder à síntese do GO através do método de Hummer modificado, usando para isso dois materiais: a grafite e os nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs), resultando em flocos (o-GF) e nanofitas (o-GNR) de grafeno oxidados, respetivamente. De modo a alcançar os objetivos propostos foram desenvolvidos 3 tipos de membranas, (CHI/ALG/CHI/ALG)100 como controlos, (CHI/ALG/CHI/o-GF)100 e (CHI/ALG/CHI/o-GNR)100 como prova do conceito. A sua caracterização morfológica foi realizada através do recurso a técnicas como: microscopia eletrónica de varrimento, microscopia de força atómica e mapeamento de Raman. Já as propriedades físicas foram avaliadas através termogravimetria, medição dos ângulos de contacto, pela capacidade de absorção de água e pela perda de massa. Testes de tração e análise mecânica dinâmica foram usados para analisar as propriedades mecânicas. Para além disso, a aplicabilidade das membranas foi ainda testada através de ensaios celulares, usando-se para tal linhas celulares L929. Os resultados demonstraram que a adição de o-GF e o-GNR resultam num melhoramento mecânico das membranas sem que exista alteração das propriedades térmicas. Ao mesmo tempo foi também registada uma maior rugosidade e hidrofilicidade das membranas. No que diz respeito aos testes celulares, as membranas onde o-GF estava presente obtiveram uma maior adesão e proliferação celular. Sendo assim, as membranas com o-GF poderão encontrar várias aplicações biomédicas, nomeadamente em aplicações para a cicatrização de tecidos ou ainda para aplicações cardíacas ou ósseas.