Polymer funcionalization of nano-graphene oxide by molecular layer deposition

Abstract

O presente trabalho aborda o processo de funcionalização por via seca de nanopartículas de óxido de grafeno (nano-GO) visando o estabelecimento de ligações a polietilenoglicol (PEG) na sua superfície. Atualmente utilizam-se métodos químicos de funcionalização por via húmida com esta finalidade, no entanto são demorados e resultam em perdas significativas de amostra. O trabalho foi realizado em duas fases: o GO foi primeiramente sintetizado em forma de filme e pó utilizando um método “Hummers” modificado, sendo caracterizado por FTIR, SEM e DLS; em seguida o GO foi exposto aos precursores do PEG num reator de deposição por camada molecular (MLD) sob condições de vácuo. Utilizaram-se temperaturas diversas de deposição, tendo-se observado uma adsorção ótima entre 90-100° C. Primeiramente, a deposição de PEG em pó de GO, com terminações de amina, confirmou por FTIR a presença dos picos característicos de PEG, aproximadamente aos 2925 cm-1 e 2850 cm-1, corroborando a funcionalização a seco do GO por um mecanismo de vaporização-condensação. A via MLD, usando TMA e EG como precursores foi então realizada no pó de GO, tendo proporcionado uma camada de passivação inicial rica em alumínio, na qual ciclos subsequentes de exposição ao monómero EG resultaram na sua adsorção e polimerização, tal como demonstrado por FTIR e análises EDS. O nano-GO-PEG é vantajoso para aplicações na área da biomedicina, incluindo sistemas de administração de fármacos, biossensores e terapia fototérmica. O PEG permite ao nano-GO ser reconhecido como biocompatível, estabelecendo uma superfície repelente e incrementando o transporte citoplasmático, permitindo assim características essenciais, tais como alta absorvância óptica, fluorescência e estabilidade em meio fisiológico, essenciais para os sistemas biológicos. O sucesso da produção do nano-GO funcionalizado com PEG pela via a seco aqui proposta poderá será favorável para outros tipos de funcionalização e copolimerização de nanopartículas.

This research aims to achieve a dry functionalization approach for covalently attaching polyethylene glycol (PEG) onto the surface of nano-graphene oxide (GO). Currently, wet chemical methods are used to achieve this, being characteristically time consuming and resulting in significant loss of sample. This work is carried out in two stages; GO is first synthesized using a modified Hummers’ method, and then characterized by FTIR, SEM and DLS; it is then produced in film and powder form, for exposure to precursors in an MLD reactor under rough vacuum conditions. GO films were exposed to PEG at variable temperatures, determining that at 90oC and 100oC the optimal adsorption occurred. Deposition of amine-terminated PEG on GO powder confirmed the presence of characteristic PEG peaks around 2925cm-1 and 2850cm-1 via FTIR, substantiating the dry functionalization of GO via vaporization-condensation. An MLD route, using TMA and EG precursors was then performed on GO powder, delivering an initial passivation layer of Al, onto which subsequent cycles of EG adsorbs, demonstrated by FTIR and EDS analysis. PEGylated-nano-GO is advantageous for applications in the area of biomedicine; including drug delivery systems, biosensors and photothermal therapy. PEG permits nano-GO to be recognized as biocompatible; establishing on it a non-fouling surface and increasing its cytoplasmic transport, thereby allowing its inherent characteristics such as high optical absorbance, fluorescence, and stability in physiological media to be pertinent to biological systems. Successful production of PEG functionalized nano-GO via the proposed method will be favourable for other possibilities of nanoparticle surface functionalization and copolymerization.