Auswirkungen der Porosität auf die piezoelektrischen Eigenschaften von Polyvinylidenfluoridfilmen für biomedizinische Anwendungen

13. Juli 2023

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von BME Frontiers

Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein piezoelektrisches Polymermaterial, das sich insbesondere in biomedizinischen Anwendungen als Druck- und Durchflusssensor hervorragend bewährt hat. Allerdings weisen die meisten PVDF-Dünnschichtsensoren aufgrund ihrer begrenzten piezoelektrischen Eigenschaften eine geringe Empfindlichkeit und Auflösung auf.

Eine Methode zur Verbesserung der piezoelektrischen Leistung von PVDF-Filmen ist die Einführung von Nanoporen in die Materialstrukturen. Man geht davon aus, dass die durch die nanoporösen Strukturen modifizierten PVDF-Filme gut für Biosensoranwendungen geeignet sind, wie z. B. die Überwachung des hämodynamischen Flusses während In-vitro-Studien des Blutflusses in der Aorta nach der Implantation einer Klappenprothese über den Transkatheter-Aortenklappenersatz (TAVR). ihre hohen piezoelektrischen Koeffizienten, ihre Flexibilität und ihr geringes Gewicht.

In einer kürzlich in BME Frontiers veröffentlichten Arbeit führte ein Team der University of Minnesota Duluth (UMD) eine eingehende Untersuchung der Auswirkungen der Porosität auf die mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF-Filmen durch. An Dünnfilm-PVDF-Proben mit unterschiedlichen Porositätsgraden und Porengrößen wurde eine Dehnungsverfolgung durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften der Proben zu bestimmen.

Die mechanischen Eigenschaften wurden zur Modellierung des PVDF-Materials in der COMSOL Multiphysics-Software verwendet, in der Kompressionstestsimulationen durchgeführt wurden, um den piezoelektrischen Koeffizienten d33 des PVDF zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass ein Rückgang des Elastizitätsmoduls stark umgekehrt mit der Porosität der Proben korreliert, und die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Elastizitätsmodul einen viel größeren Einfluss auf die piezoelektrischen Eigenschaften hatte als die Poissonzahl.

Durch eine Kombination aus experimentellen und rechnerischen Techniken konnten die mechanischen Eigenschaften von PVDF-Filmen unterschiedlicher Porosität charakterisiert und mit ihren piezoelektrischen Eigenschaften in Beziehung gesetzt werden.

Für die weitere Entwicklung von PVDF als druckempfindliches Material ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie sich Materialeigenschaften wie der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl auf die piezoelektrische Leistung von PVDF-Filmen auswirken und wie diese Eigenschaften durch Änderung der Porosität des Materials gesteuert werden können. Durch die Verbesserung der piezoelektrischen Leistung von PVDF können empfindlichere und zuverlässigere Drucksensoren für biomedizinische Anwendungen wie die hämodynamische Überwachung entwickelt werden.

Mehr Informationen: Jack T. Kloster et al., Auswirkungen der Porosität auf die piezoelektrischen Eigenschaften von Polyvinylidenfluoridfilmen für biomedizinische Anwendungen, BME Frontiers (2023). DOI: 10.34133/bmef.0009

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