Graphene nanoribbons for multilayer films based on natural polymers

Abstract

Biomedical applications and more precisely, implantable devices or scaffolds for regenerative medicine, typically require the use of biodegradable and/or biocompatible materials with adequate mechanical properties and, depending on the specific application, specific electric properties. In this work, such properties were attempted by combining natural polymers, to provide biodegradability and biocompatibility, and graphene, to provide adequate mechanical and electric properties. Four different types of graphene were produced through different chemical methods. Both raw multiwall carbon nanotubes (MWNTs) and raw exfoliated graphite (EG) were chemically functionalized by two methods, oxidation using a modified Hummers’ method, and functionalization through a 1,3-dipolar cycloaddition reaction. Both functionalization procedures were followed by unzipping/exfoliation in solution, through sonication. The result was functionalized graphene nanoribbons (f-GNRs) and graphene flakes (f-GFs) and oxidized graphene nanoribbons (o-GNRs) and graphene flakes (o-GFs), by subjecting functionalized MWNTs and EG and oxidized MWNTs and EG, respectively, to sonication. The graphene solutions produced were characterized by Ultraviolet-Visible Spectroscopy, Zeta Potential (ZP), and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). Graphenes were characterized by Infrared Spectroscopy and Thermogravimetric Analysis (TGA). Additionally, f-GNRs were characterized by Scanning Tunneling Microscopy (STM), and to ease characterization they were previously characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and Optical Microscopy (OM). Thereafter, multilayer films combining those different types of produced graphene and two biodegradable and biocompatible natural polymers, namely chitosan (CHT) and alginate (ALG), were prepared through the layer-by-layer (LbL) technique, and real time monitored by a quartz crystal microbalance (QCM) for accurate mass sensing. The thickness, viscosity and shear modulus of the produced films were estimated by applying a Voigt based model.

Aplicações biomédicas, mais precisamente, dispositivos implantáveis e scaffolds para a medicina regenerativa, tipicamente, exigem materiais biodegradáveis e/ou biocompatíveis, com adequadas propriedades mecânicas e, dependendo da aplicação, propriedades eléctricas. Neste trabalho, polímeros naturais, pela sua biodegradibilidade e biocompatibilidade, foram combinados com grafeno, pelas suas adequadas propriedades mecânicas e elétricas, por forma a responder a tais requisitos. Quatro tipos de grafeno foram produzidos por diferentes métodos químicos. Nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs) e grafite exfoliada (EG) foram funcionalizados quimicamente por dois métodos, oxidação segundo um método de Hummers modificado e funcionalização através da reacção de cicloadição dipolar 1,3. Deste processo resultaram nanofitas de grafeno oxidadas (o-GNRs) e flocos de grafeno oxidados (o-GFs) e, nanofitas de grafeno funcionalizadas (f-GNRs) e flocos de grafeno funcionalizados (f-GFs), pela exposição de MWNTs e EG oxidados e MWNTs e EG funcionalizados, respetivamente, a ultrassons, proporcionando a sua exfoliação. As soluções de grafeno produzidas foram caraterizadas por espectroscopia ultravioleta-visível, potencial zeta (ZP) e microscópia eletrónica de varredura por transmissão (STEM). Os grafenos foram caraterizados por espectroscopia de infravermelho e análises termogravimétricas (TGA). Adicionalmente, as f-GNRs foram caraterizadas por Microscopia Ótica (OM) e microscopia de força atómica (AFM) por forma a facilitar a observação das f-GNRs por microscopia de efeito de túnel (STM). Posteriormente, filmes multicamada combinando os diferentes tipos de grafeno produzidos com dois polímeros naturais biodegradáveis e biocompatíveis, nomeadamente quitosano (CHT) e alginato (ALG), foram produzidos através da técnica de deposição camada a camada (LbL), e monitorizados em tempo real através de uma microbalança de cristal de quartzo (QCM). A espessura, viscosidade e módulo de cisalhamento dos filmes multicamada produzidos foram estimados pela aplicação de um modelo de Voigt. Os filmes multicamada desenvolvidos no presente trabalho podem ser aplicados em diversas aplicações biomédicas, como biosensores, revestimentos de implantes e tecidos electroativos.