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Electroactive properties and biological applications of electrospun PVDF polymer
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Authors
Abstract(s)
PVDF is a piezoelectric polymer, exhibiting direct and inverse piezoelectric effect, with leading electroactive properties. This material is interesting for building energy transmission and harvesting systems, converting mechanical energy into electrical energy, such as electrospun PVDF sensors. However, only a few reports have shown inverse piezoelectric effect of electrospun PVDF. In this project the electrospinning technique was used to prepare PVDF nanofiber mat scaffolds for tissue engineering. The main objective is the preparation of electroactuated devices for mechanical stimulation of cells. Crystal phase ratios and morphology of the PVDF fiber mats were characterized by attenuated total reflectance Fourier transform infrared (FTIR/ATR) spectroscopy and scanning electron micrograph (SEM). For a better understanding of the differences between polar and non-polar PVDF, and of the effect of the electric field on the fibers’ composition, quantum mechanics and molecular dynamics calculations were performed. Several devices were prepared from assemblies of PVDF fiber meshes and conductive ink electrodes, with different geometries. The devices’ electrical impedances were measured as a function of frequency. Finally, the in vitro biocompatibility of the PVDF fiber meshes was tested. The results revealed that electrospinning parameters have significant effects on the crystal phase ratio and structure. As it was expected, the electrical impedance of PVDF decreased with the increase of β crystal phase ratio, as required for the piezoelectric behaviour of the PVDF fibers. The results also illustrated that the impedance of PVDF fibers mesh assemblies changed with varying shape, thickness, the geometric alignment of the fibers and the distance between conductive ink electrodes. The molecular simulations were able to predict the α to β phase change which results on partially poled fibers. In vitro cytocompatibility tests of PVDF scaffolds shown that PVDF fibers were not cytotoxic to the NIH/3T3 cells which meant PVDF fiber scaffolds can be used for cell stimulation.
O PVDF é um polímero piezoelétrico, que exibe o efeito piezoelétrico direto e indireto. Este material é interessante para construção de sistemas para conversão ou captação de energia mecânica para energia elétrica, tais como sensores baseados em fibras preparadas por electrospinning. No entanto, têm sido reportados poucos trabalhos sobre o efeito piezoelétrico inverso de fibras de PVDF. Neste projeto, utilizou-se a técnica de electrospinning para preparar estruturas constituídas por tapetes de nanofibras de PVDF, para engenharia de tecidos. O objetivo principal é a preparação de dispositivos eletroatuados para estimulação mecânica de células. A morfologia e a razão entre estruturas cristalinas dos tapetes de fibras de PVDF foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier – reflectância total atenuada (FTIR/ATR) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Para uma melhor compreensão das diferenças entre o PVDF polarizado e nãopolarizado, assim como o efeito do campo elétrico na composição das fibras, realizaram-se cálculos de mecânica quântica e dinâmica molecular. Foram preparadas várias montagens de tapetes de fibras de PVDF em elétrodos de tinta condutora, com diversas geometrias. As impedâncias elétricas dos dispositivos foram medidas em função da frequência. Finalmente, foram realizados testes in vitro para atestar a biocompatibilidade das fibras de PVDF. Os resultados demonstram que os parâmetros operacionais do electrospinning têm efeitos significativos na estrutura das fibras e na estrutura cristalina. Como se esperava, a impedância elétrica do PVDF decresce com o aumento da fase cristalina α, condição necessária para o comportamento piezoelétrico das fibras. Os resultados também ilustram a dependência que a impedância, dos dispositivos com fibras de PVDF, apresenta em função da forma, espessura, alinhamento das fibras e distância entre elétrodos. As simulações moleculares conseguiram prever a mudança de fase α para β, que resultam em fibras com polarização parcial. Os testes de citocompatibilidade in vitro, demonstraram que os tapetes de fibras de PVDF não apresentam efeitos citotóxicos para as células NIH/3T3, o que significa que os dispositivos de fibras de PVDF podem ser utlizados para estimulação de células.
O PVDF é um polímero piezoelétrico, que exibe o efeito piezoelétrico direto e indireto. Este material é interessante para construção de sistemas para conversão ou captação de energia mecânica para energia elétrica, tais como sensores baseados em fibras preparadas por electrospinning. No entanto, têm sido reportados poucos trabalhos sobre o efeito piezoelétrico inverso de fibras de PVDF. Neste projeto, utilizou-se a técnica de electrospinning para preparar estruturas constituídas por tapetes de nanofibras de PVDF, para engenharia de tecidos. O objetivo principal é a preparação de dispositivos eletroatuados para estimulação mecânica de células. A morfologia e a razão entre estruturas cristalinas dos tapetes de fibras de PVDF foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier – reflectância total atenuada (FTIR/ATR) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Para uma melhor compreensão das diferenças entre o PVDF polarizado e nãopolarizado, assim como o efeito do campo elétrico na composição das fibras, realizaram-se cálculos de mecânica quântica e dinâmica molecular. Foram preparadas várias montagens de tapetes de fibras de PVDF em elétrodos de tinta condutora, com diversas geometrias. As impedâncias elétricas dos dispositivos foram medidas em função da frequência. Finalmente, foram realizados testes in vitro para atestar a biocompatibilidade das fibras de PVDF. Os resultados demonstram que os parâmetros operacionais do electrospinning têm efeitos significativos na estrutura das fibras e na estrutura cristalina. Como se esperava, a impedância elétrica do PVDF decresce com o aumento da fase cristalina α, condição necessária para o comportamento piezoelétrico das fibras. Os resultados também ilustram a dependência que a impedância, dos dispositivos com fibras de PVDF, apresenta em função da forma, espessura, alinhamento das fibras e distância entre elétrodos. As simulações moleculares conseguiram prever a mudança de fase α para β, que resultam em fibras com polarização parcial. Os testes de citocompatibilidade in vitro, demonstraram que os tapetes de fibras de PVDF não apresentam efeitos citotóxicos para as células NIH/3T3, o que significa que os dispositivos de fibras de PVDF podem ser utlizados para estimulação de células.
Description
Keywords
PVDF (polyvinylidene fluoride) Electrospinning Electroactuator Impedance Cytocompatibility Eletroatuados Impedância citocompatibilidade Nanochemistry and Nanomaterials . Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia