Estudo das propriedades físicas fundamentais de filmes finos intermetálicos do tipo Ti-Me (Me = Al, Au) na funcionalização de elétrodos - sensores para dispositivos biomédicos

Abstract

Os elétrodos/ sensores de aplicação biomédica podem ser de materiais tão diversos como: metais, silício/dióxido de silício, vidro, entre outros. Contudo, nos últimos tempos tem-se verificado uma crescente utilização dos substratos poliméricos em detrimento dos anteriores por várias razões, sendo talvez as mais importantes: o baixo custo e a fiabilidade que lhes é associada - uma vez que são facilmente configuráveis de acordo com a finalidade a que se destinam e garantem com alguma confiança a estabilidade das medidas efetuadas. Porém, para funcionarem como elétrodos, estes substratos necessitam de ser superficialmente funcionalizados em termos de contacto elétrico. Investigações recentes mostram resultados bastantes promissores na utilização de filmes finos na otimização da interface elétrica de sensores poliméricos. Neste sentido, o trabalho realizado ao longo desta dissertação teve por base a otimização de um conjunto de processos físicos com vista a concretização de um objetivo maior: o da construção de elétrodos/sensores com base polimérica para aplicações biomédicas. Os elétrodos serão construídos a partir de diferentes bases poliméricas, nomeadamente o polipropileno (PP) e o politereftalato de etileno (PET) que posteriormente serão funcionalizadas com filmes finos condutores de Ti-Me (Me = Al, Au) - responsáveis por transmitir e amplificar o sinal recebido pela base polimérica. Na realização deste estudo, várias etapas foram percorridas. Numa primeira fase (Capítulo 3) estudou-se a influência da adição do metal Me, isto é do alumínio (Al) e do ouro (Au) nas caraterísticas fundamentais (composição, morfologia e estrutura cristalina) dos filmes finos produzidos e o modo como essas alterações se refletiram nas propriedades fundamentais (elétricas e mecânicas) dos mesmos. Numa segunda fase (Capítulo 4), procedeu-se à ativação/modificação das superfícies poliméricas através de diferentes tratamentos de ativação por plasma, uma vez que são sobejamente conhecidos os problemas de adesão dos revestimentos metálicos quando depositados neste tipo de substratos. As superfícies poliméricas ativadas/funcionalizadas foram alvo de um estudo detalhado, por forma a permitir selecionar o conjunto de condições que melhor parecem promover a funcionalização do polímero, com base no estudo das alterações provocadas à superfície, imediatamente após a realização dos diferentes tratamentos de plasma. Por fim, otimizados os tratamentos de ativação por plasma na superfície dos substratos poliméricos, procedeu-se à produção dos “pré - sensores”, isto é, os filmes finos de Ti-Me (Me = Al, Au) foram depositados nos substratos poliméricos para poderem ser testados em termos de algumas das suas propriedades físicas fundamentais. As alterações das caraterísticas superficiais foram detalhadamente estudadas e a resposta mecânica e elétrica do compósito: base polimérica + filme fino foi aferida por ensaios de tração e medidas de resistência elétrica em função da deformação produzida.

Several materials can be used to fabricate sensores devices, such as: metals, silicon/silicon dioxide, glass, among others. However, in nowadays the polymeric substrates are often used, rather than the conventional substrates, for many reasons being perhaps the low cost and the versatility the most important ones. The polimeric substrates can be easily handled according to the intended purpose ensuring with some degree of certainty the accuracy of the performed measures. However, if this kind of material is to be used as electrodes, superficial functionalization in terms of electric contact should be performed. Indeed, recent studies show many promising results when thin films were used to optimize the electric interface of polymericbased sensors. Therefore, the main purpose of the work developed during this dissertation was based in the optimization of a set of physical plasma processes aiming the activation/functionalization of polymeric-based surfaces in order to obtain electrodes/sensors for biomedical applications. Two very different kinds of polymers were chosen to provide the bases for the electrodes: polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET) further functionalized with intermetallic thin films of Ti- Me (Me = Al, Au), which the main responsability is the transmission and amplification of the signal received by the polymers, when operating. The present work is organized in three main chapters: the first one (Chapter 3) is dedicated to study the influence of the metal addition (aluminum and gold) into the titanium matrix, based on the films characterization (composition, morphology and crystalline structure) as a function of the Me/Ti ratio. The changes promoted in the main functional properties of the coatings (electrical and mechanical) were also studied. The chapter 4, is dedicated to the activation/functionalization of the polymeric surfaces due to the problems of adhesion between metallic thin films and polymeric substrates. Several treatments were performed and the modified surfaces of the two polymers (PET and PP) submitted to a detailed study in order to understand the modifications occurred on their surface. The main goal is reach the best conditions of plasma treatments that better promote the films adhesion. Finally, the chapter 5 is dedicated to the sputtering depositions of the Ti-Me thin films onto the polymeric substrates, taking into account the informations obtained in the previous chapters.The changes promoted in the superficial features were studied in detail. Moreover, the mechanical and electrical response of the composite: polymer + thin film was measured by traction tests and electrical resistivity measurements as a function of the deformation produced.