Films based on biodegradable polymers and graphene for biomedical applications

Abstract

In several biomedical applications, one of the major disadvantages of biodegradable polymers is their low mechanical performances. The incorporation of fillers, as graphite, graphene derivatives, carbon nanotubes and fullerenes in polymers attracted the attention of researchers because of the promising properties of this composite materials in biomedical field. In this work, was studied the influence of the incorporation of graphite and functionalized few-layer graphene in polyvinyl alcohol (PVA) matrix, with the purpose of producing PVA and their composites films with improved properties. The films were produced through spray coating technique, envisaging their application in the biomedical field. Aqueous suspensions of functionalized few-layer graphene were successfully produced through stabilizer-assisted liquid phase exfoliation using pristine graphite as precursor. A maximum incorporation of 5 wt% exfoliated graphite (EG) has been estimated as reinforcement. The mechanical and electrical conductivity was evaluated by uniaxial tensile tests and electrical conductivity measurements, respectively. The incorporation of EG led to films with an improvement in the mechanical strength, as well as a decrease in the electrical resistivity was also noticed, presenting values close to semiconductor materials. Raman spectroscopy reveals the presence of exfoliated graphite. The thermal properties were evaluated through differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA), which presents a decrease in glass-transition temperature, melting temperature and degradation temperature with the addition of exfoliated graphite. The morphology of composite films was evaluated by scanning electron microscopy (SEM). SEM images reveals an excellent homogeneity through the entire cross-section of films, which testify the improvement in mechanical and electrical properties. Relatively to the permeability assays, the composites show a similar behaviour to the PVA matrix. The results obtained in this thesis suggest that PVA reinforced with exfoliated graphite films may have potential for wound healing and tissue engineering of cardiac and bone tissues.

Em várias aplicações biomédicas, uma das principais desvantagens dos polímeros biodegradáveis é seu baixo desempenho mecânico. A incorporação de cargas como grafite, derivados de grafeno, nanotubos de carbono e fulerenos em polímeros atraiu a atenção dos cientistas, devido às propriedades promissoras destes materiais compósitos na área biomédica. Neste trabalho, estudou-se a influência da incorporação de grafeno funcionalizado em matriz de poli (álcool vinílico) (PVA), com o objetivo de produzir PVA e seus filmes compósitos com propriedades melhoradas. Os filmes foram produzidos através da técnica de spray coating, visando sua aplicação no campo biomédico. As suspensões aquosas de grafeno funcionalizado foram produzidas com sucesso através de exfoliação estabilizada em fase líquida, utilizando grafite como precursor. Uma incorporação máxima de 5% em peso de grafite exfoliada (EG) foi estimada como reforço. As propriedades mecânicas e elétricas foram avaliadas por ensaios de tração uniaxial e medições de condutividade elétrica, respetivamente. A incorporação de EG levou a uma melhoria na resistência mecânica, assim como uma diminuição na resistividade elétrica também foi notada, apresentando valores próximos aos materiais semicondutores. A espectroscopia Raman revela a presença de grafite exfoliada. As propriedades térmicas foram avaliadas através da calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e análise termogravimétrica (TGA), que apresentam uma diminuição na temperatura de transição vítrea, temperatura de fusão e temperatura de degradação com o aumento de grafite exfoliada. A morfologia dos filmes compósitos foi avaliada por microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Imagens SEM revelam uma excelente homogeneidade através de toda a seção transversal dos filmes, o que confirma a melhoria nas propriedades mecânicas e elétricas. Relativamente aos ensaios de permeabilidade, os compósitos mostram um comportamento semelhante à matriz de PVA. Os resultados obtidos sugerem que os filmes de PVA reforçado com grafite exfoliada podem ter potencial aplicação em cicatrização de feridas e engenharia de tecidos cardíacos e ósseos.