Preparation of conductive fibers for biomedical applications

Abstract

Os avanços na tecnologia dos biosensores tem vindo a revolucionar os cuidados de saúde, nomeadamente no diagnóstico de condições patológicas de forma rápida e eficaz, tornando o uso destes dispositivos uma realidade. O objetivo deste trabalho foi desenvolver tecidos condutores, sintéticos e naturais, compostos por poliamida (PA) ou algodão (CO), respetivamente, utilizando o polipirrole (PPy) e a polianilina (PANi) como polímeros condutores. Numa fase inicial, foi realizada uma polimerização in situ utilizando os respetivos monómeros (pirrole, Py e anilina, ANi) e um agente oxidante (persulfato de amónio, APS). A otimização dos vários parâmetros, como a concentração dos monómeros (Py e ANi), agente oxidante (APS), tempo de tingimento/polimerização e homogeneidade do tingimento foram analisados de acordo com um plano experimental criado, forma a obter tecidos têxteis com elevada condutividade. Aplicou-se um produto de acabamento, composto por poliuretano, de forma a conservar as principais características dos tecidos. Os tecidos foram caracterizados em termos de microestrutura, hidrofobicidade, composição química, solidez da cor à lavagem doméstica e industrial, solidez da cor à fricção e citotoxicidade. Adicionalmente, os tecidos de poliamida foram sujeitos a um pré-tratamento com plasma com o objetivo de melhorar a sua hidrofilicidade. As análises de SEM permitiram verificar a integridade estrutural das fibras/tecidos após o processo de polimerização. A medição dos ângulos de contato demonstrou que o processo de polimerização promoveu um aumento da hidrofobicidade em algumas condições. Na análise elementar por XPS foi possível identificar os picos característicos dos tecidos de poliamida ou algodão e dos polímeros condutores (PPy ou PANi). Relativamente aos ensaios de solidez da cor à lavagem doméstica e industrial e à fricção, verificou-se que os tecidos apresentaram valores baixos, porém, na generalidade, isso não afetou nem a condutividade superficial nem volumétrica. Excecionalmente, os tecidos de algodão tingidos com PANi alteraram as suas propriedades semicondutoras para isoladoras após o ensaio de solidez da cor à lavagem doméstica e industrial. Todos os tecidos, com exceção dos tecidos naturais tingidos com PANi, independentemente da aplicação do produto de acabamento, não apresentaram nenhum efeito citotóxico, demonstrando a sua biocompatibilidade para serem usados em aplicações biomédicas. Em conclusão, este estudo demonstra o desenvolvimento e caracterização de tecidos têxteis, sintéticos e naturais, condutores com um grande potencial para serem utilizados em futuras aplicações biomédicas.

The latest advances in biosensor technology has been revolutionize healthcare and diagnosis of pathological condition and its fast and specific treatment, making these devices a reality. The purpose of this work was to developed synthetic and natural conductive fabrics composed of polyamide (PA) and cotton (CO), respectively, for future biomedical applications, using PPy and PANi as conductive polymers. Firstly, the polymerization of the conductive polymers was made in situ using the correspondent monomers (pyrrole, Py and aniline, ANi) and an oxidizing agent (ammonium persulfate, APS). The experimental parameters like molar concentrations of monomers (Py and ANi) and APS, dyeing/polymerization time and dyeing homogeneity were adjusted according the results obtained from an experimental design created to achieve high values of conductivity. A finishing product composed of polyurethane was also applied to preserve fabrics main properties. Fabrics were characterized in terms of microstructure, hydrophobicity, chemical composition, color fastness of domestic and industrial washing, color fastness to rubbing and cytotoxicity. A pre-treatment by plasma was performed at PA to improve hydrophilicity. SEM analysis allowed to confirm the morphological integrity of the fibers/fabrics upon the polymerization process. Contact angle measurements have shown that, under certain conditions, the polymerization process affects the hydrophobicity of the final product. The elements analysis conducted by XPS allowed to identify the characteristic peaks of PA/CO fabrics and of the conductive polymers (PPy or PANi). Related to the color fastness to domestic and industrial washing and to rubbing, both types of fabrics have shown low values in both tests, but surface and volumetric conductivities were not affected after testing. Exceptionally, CO fabrics containing PANi changed their semiconductive properties to insulator after color fastness to domestic and industrial testing. All fabrics, with the exception of natural fabrics containing PANi, independently of the finishing product application, did not show any cytotoxic effect evidencing their biocompatibility to be used in biomedical applications. In conclusion, this study demonstrates the development and characterization of synthetic and natural conductive fabrics with great potential to be used in future biomedical applications.