Desenho de microestruturas eletromagnetoativas de base polimérica para aplicação em sistemas biomédicos miniaturizados

Abstract

Nos últimos anos, os materiais tradicionais têm vindo a ser substituídos por materiais de base polimérica em diferentes aplicações. Dentro destes, os polímeros inteligentes têm a capacidade de variar uma determinada propriedade perante um estímulo externo. Um dos polímeros com elevado interesse cientifico e tecnológico é o poli(fluoreto de vinilideno-co-trifluoretileno) (P(VDFTrFE)). Além de possuir propriedades eletrotivas, o P(VDF-TrFE) apresenta elevada resistência mecânica, fácil processamento, maleabilidade e baixo custo de produção. Paralelamente, o desenvolvimento de nanoestruturas magnéticas tem sido crescente, por serem facilmente manipuladas através de campos externos. Na presente dissertação, nanoestruturas compósitas magnetoeletroativas foram desenvolvidos. Numa primeira abordagem, foi realizado um estudo teórico de forma a entender e prever as respostas mecânicas das amostras a estímulos externos. De seguida, filmes nanoestruturados de P(VDF-TrFE) assim como filmes compósitos nanoestruturados de P(VDF-TrFE) com nanopartículas magnéticas (NMs) foram produzidos pelo método de infiltração por fusão assistido por moldes. Moldes de óxido de alumínio anódico (OAA) foram fabricados pelo método de anodização e o processo otimizado de forma a fabricar estruturas nanoporosas bem definida e com diferentes tamanhos de nanoporos. Após a devida caracterização morfológica dos moldes de OAA, os filmes nanoestruturados foram obtidos. No caso dos filmes compósitos, NMs de óxido de ferro foram sintetizadas por coprecipitação, caracterizadas e introduzidas na matriz polimérica. Os resultados obtidos demonstram que o método de infiltração por fusão foi eficiente no fabrico de filmes nanoestruturados de P(VDF-TrFE) tanto sem como com NMs. Os mesmos apresentam uma superfície hidrofóbica constituída por estruturas complexas de nanopilares, cujo tamanho dos mesmos é controlado pelos moldes de OAA. A presença de NMs nos nanopilares foi confirmada assim como conformação da matriz polimérica que se mantém eletroativa. Além disso, as amostras não se revelaram citotóxicas. Após polarização das amostras, foi obtida uma constante piezoelétrica d33 de -20±2 pC. N-1 para os filmes nanoestruturados de P(VDF-TrFE) e - 19±2 pC.N-1 para os filmes compósitos nanoestruturados de P(VDF-TrFE) com NMs. Consequentemente, o presente trabalho constitui um contributo significativo no desenvolvimento de novos materiais inteligentes com propriedades inovadores e passíveis de serem aplicados na área da biomedicina.

In recent years, traditional materials have been replaced by polymer-based materials in an increasing number of applications. Among them, smart polymers have the ability to vary a given property when subjected to an external stimulus. A polymer with high scientific and technological interest is poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)). Together with its electroactive properties, P(VDF-TrFE) shows high mechanical strength, easy processing, malleability and low production cost. Futher, the development of magnetic nanostructures shows increasing interest, for being easily manipulated through external fields. In the present dissertation, nanostructures with magnetoelectroactive properties were developed. In a first approach, a theoretical study was carried out in order to understand and predict the mechanical responses of the samples when subjected to external stimuli. Then, P(VDF-TrFE) nanostructured films as well as P(VDF-TrFE) nanostructured composite films with magnetic nanoparticles (MNs) were produced by mold-assisted melt infiltration. Anodic aluminium oxide (AAO) molds were manufactured by electrochemical oxidation (anodization) and the process optimized in order to fabricate well-defined nanoporous structures with different nanopores sizes. After the proper morphological characterization of the AAO molds, the nanostructured films were obtained. In the case of composite films, iron oxide MNs were synthesized by coprecipitation, characterized and introduced in the polymer matrix. The results show that the melt infiltration method was efficient for the fabrication of P(VDF-TrFE)- based nanostructured films both without and with MNs. They feature hydrophobic surfaces consisting of complex structures of nanopillars, whose size is controlled by the AAO molds. The presence of MNs in the nanopillars was confirmed as well as the conformation of the polymer matrix that remains electroactive. In addition, the samples were not cytotoxic. After electrical poling of the nanostructured films, a piezoelectric constant d33 of -20 ±2 pC. N-1 for nanostructured P(VDF-TrFE) films and -19±2 pC.N-1 for nanoestrutured composites P(VDF-TrFE) films with NMs was obtained. Thus, the present work represents a significant contribution to the development of smart material that can be applied in biomedicine.