Development of multifunctional coatings deposited on polymers based sensors for biomedical applications

Abstract

Within the framework of materials for biomedical applications, piezoelectric materials are interesting for the development of sensors and actuators in areas such as smart prosthesis, implantable biosensors and biomechanical signal monitoring, among others. However, for the acquisition/application of the electrical signal, suitable electrodes must be produced. Therefore, the aim of this work was the development of multifunctional coatings on a polymeric base substrate for biosensor applications. The coatings were deposited by magnetron sputtering on polymers based sensors. The multifunctionality was achieved due to the good mechanical and electrical properties, together with the antibacterial characteristics obtained through silver clusters inclusions, without significantly changing the piezoelectric response of the polymers sensors. By changing the deposition conditions, it was possible to obtain coatings with different silver, titanium or nitrogen content, thus exploring the vast spectrum of their electrical, mechanical and biological properties as well as the piezoresistive response. In this work, the different processing conditions allowed to obtain two different systems: Ti1- xAgx with different Ag/Ti atomic ratio and different Ag-TiNx samples with increasing N content. These electrodes were deposited at room temperature on poly(vinylidene fluoride), PVDF, the all-round best piezoelectric polymer. For both series, results revealed that the deposition conditions preserved the polymer structure. In samples Ti1-xAgx it was suggested the presence of crystalline hcp-Ti phase in pure titanium coating, an fcc-Ag phase in pure silver coating and, besides these two phases, the possibility of a TiAg phase. On the other hand, for the Ag-TiNx series, the results revealed the presence of crystalline fcc-TiN phase and fcc-Ag phase in samples with N2 flow above 3 sccm. Only on Ag-TiNx electrodes it was possible to found Ag clusters. Sheet resistivity values showed a typical behavior of a binary alloy system for the Ti1-xAgx series, being low for coatings rich in Ti and Ag and slightly higher for coatings with a mixture of Ti and Ag. For the Ag-TiNx series, increasing nitrogen flow lead to lower sheet resistivity values than in the sample without nitrogen. Piezoelectricity of the different samples of Ti1-xAgx series presented similar values, but for the Ag-TiNx series, the increase of nitrogen flow leads also to a decrease of the piezoelectric response. Despite this behavior, it was possible to conclude that the deposition conditions do not significantly affect the piezoelectric response of the polymer which maintain its suitable characteristics for sensor applications. The mechanical and piezoresistive performance of the two series was assessed by uniaxial stretch tests and electrical resistance variation measurements during mechanical stimulus, respectively. It was possible to conclude that all electrodes show piezoresistive properties, with an increase of the electrical resistance as the applied strain increases. The sensitivity of the piezoresisitive materials can be characterized by the gauge factor (GF). The thin films deposited on β-PVDF polymer exhibit a similar performance with respect to the mechanical properties, where GF increases with increasing strain, being larger in the plastic zone than in elastic one. The Ag-TiNx samples show higher GF values compared to the other series that can be explained by the presence of Ag nanoparticles/clusters imbedded in the TiN matrix. Higher GF values are desired for more sensitive sensors. The antimicrobial activity of samples from both series was assessed by agar diffusion method (Halo test) . Only electrodes from the Ag-TiNx series presented antibacterial activity. As-deposited Ag- TiNx electrodes exhibited silver clusters smaller than 4 nm and presented some Ag segregation in the TiN matrix, which disappeared after Halo test. This suggests that Ag nanoparticles aggregate and/or diffuse on the agar inhibiting bacterial growth. Therefore, Ag-TiNx electrodes are more promising candidates to be used than Ti1-xAgx electrodes as these electrodes achieved the desired antibacterial activity. Osteogenesis was also evaluated, in samples from both series, using MC3T3 osteoblastic cells. The results indicated lower cells attachment on the Ag-TiNx electrodes compared with the Ti1- xAgx electrodes. The same behavior was observed for proliferation and differentiation tests. So, it was concluded that, the presence of silver nanoparticles in the surface of the Ag-TiNx electrodes has a significant effect on antimicrobial activity as well as on the cell response. So, as main conclusion of this work, a multifunctional electrode was achieved with antibacterial activity, which at an early stage does not promote animal cells adhesion and it still has proper electrical and mechanical properties. Further, it preserves the piezoelectric response of the polymer when deposited on PVDF and shows itself suitable and useful piezoresistive response for sensor applications.

No âmbito dos materiais para aplicações biomédicas, os materiais piezoelétricos são interessantes para o desenvolvimento de sensores e atuadores em áreas como, próteses inteligentes, biossensores implantáveis, monitorização de sinais biomecânicos, entre outros. Contudo, para a aquisição/aplicação do sinal elétrico do sensor, terão de ser depositados elétrodos adequados. O objetivo deste trabalho visou assim, o desenvolvimento de revestimentos multifuncionais sobre uma base polimérica para aplicação em biossensores. Os revestimentos foram depositados por pulverização catódica em polímeros. A multifuncionalidade foi conseguida devido às boas propriedades mecânicas e elétricas, assim como as características antibacterianas obtidas através da incorporação de nanopartículas de prata, sem alterar significativamente a resposta piezoelétrica dos polímeros base do sensor. Pela variação das condições de deposição foi possível obter revestimentos com diferentes teores de prata, titânio ou azoto, explorando desta forma o vasto espectro de propriedades elétricas, mecânicas e biológicas, assim como a resposta piezoresistiva. Neste projeto, as diferentes condições de processamento, permitiam obter dois sistemas diferentes: Ti1-xAgx com diferentes razões atómicas Ag/Ti e Ag-TiNx diferentes, com o aumento do teor de azoto. Estes elétrodos foram depositados à temperatura ambiente sobre fluoreto de polivinilideno (PVDF), o melhor polímero piezoelétrico. Para ambas as séries os resultados revelaram que as condições de deposição utilizadas preservaram a estrutura do polímero. Nas amostras de Ti1-xAgx, foi sugerida a presença de uma fase cristalina hexagonal de Ti para o revestimento de titânio puro, uma fase de cfc-Ag para o revestimento de prata pura e para além destas fases, a possibilidade de uma fase TiAg. Por outro lado, para a série Ag-TiNx, os resultados relevaram a presença das fases cristalinas cfc-TiN e cfc-Ag para amostras depositadas com fluxo de N2 superior a 3 sccm. Apenas nos elétrodos da serie Ag-TiNx foi possível observar pequenos aglomerados de prata à superfície. Os resultados de resistividade mostraram um comportamento típico de uma liga metálica para a série Ti1-xAgx, com valores baixos para as zonas ricas em Ti e em Ag e valores ligeiramente mais elevados para os revestimentos que exibem uma mistura de Ti e Ag. Relativamente á serie Ag- TiNx, o aumento do teor de azoto induziu valores de resistividade mais baixos do que a correspondente amostra sem azoto. A piezoeletricidade das diferentes amostras da serie Ti1-xAgx apresentam valores semelhantes, mas para a série Ag-TiNx o aumento do fluxo de azoto leva a uma diminuição da resposta piezoelétrica. Apesar deste comportamento, foi possível concluir que as condições de deposição não afetam significativamente a resposta piezoelétrica do polímero que mantém as características adequadas para aplicações em sensores. O desempenho mecânico e piezoresistivo das duas séries foram avaliados através de ensaios de tração uniaxial e medições de variação da resistência elétrica durante o estímulo mecânico, respetivamente. Foi possível concluir que todos os elétrodos apresentam propriedades piezoresistivas, aumentando a resistência elétrica com o aumento da deformação aplicada. Os diferentes revestimentos depositados sobre o β-PVDF apresentam um desempenho semelhante no que diz respeito às propriedades mecânicas, em que o fator de sensibilidade do sensor aumenta com o aumento da deformação, sendo maior na zona plástica que na elástica. As amostras da série Ag-TiNx apresentar valores de sensibilidade mais elevados em comparação com a outra série que pode ser explicado pela presença de nanopartículas de Ag embebidas numa matriz de TiN. A atividade antimicrobiana de amostras de ambas as séries foi avaliada pelo método de difusão em ágar (teste de Halo). Somente os elétrodos da série Ag-TiNx apresentaram atividade antibacteriana. Os elétrodos desta série exibem aglomerados de Ag menores que 4 nm e apresentaram segregação de Ag na matriz TiN que desaparecem após o teste. Isto sugere que as nanopartículas de Ag agregam e/ou difundem para o agar matando ou inibindo o crescimento bacteriano. Sendo assim, os elétrodos da série Ag-TiNx são mais promissores como candidatos para serem utilizados como elétrodos do que a série Ti1-xAgx, uma vez que estes elétrodos possuem a atividade antibacteriana desejada. A osteogénese foi também avaliada, nas amostras das duas séries, usando células osteoblásticas MC3T3. Os resultados indicaram menos células aderidas nos elétrodos Ag-TiNx em comparação com elétrodos Ti1-xAgx. O mesmo comportamento foi observado para os ensaios de proliferação e de diferenciação. Assim, foi possível concluir que, a presença de nanopartículas de prata na superfície dos elétrodos de Ag-TiNx tem um efeito significativo na atividade antimicrobiana assim como na resposta das células. Assim, como conclusão principal deste trabalho, foi conseguido um elétrodo multifuncional com atividade antibacteriana, que numa fase inicial não promove adesão celular e ainda tem boas propriedades elétricas e mecânicas. Além disso, este revestimento permite preservar a resposta piezoelétrica do polímero quando depositado em PVDF e mostra resposta piezoresistiva adequada e útil para aplicações em sensores.