Udskrivning af 3-D grafen strukturer til vævsteknologi

Lige siden enkeltlagsgrafen bragede ind på videnskabsscenen i 2004, mulighederne for det lovende materiale har virket næsten uendelige. Med sin høje elektriske ledningsevne, evne til at lagre energi, og ultra-stærk og let struktur, grafen har potentiale til mange anvendelser inden for elektronik, energi, miljøet, og endda medicin.

Nu har et team af forskere fra Northwestern University fundet en måde at udskrive tredimensionelle strukturer med grafen-nanoflager. Den hurtige og effektive metode kunne åbne nye muligheder for at bruge grafentrykte stilladser regenerativ teknik og andre elektroniske eller medicinske applikationer.

Anført af Ramille Shah, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern's McCormick School of Engineering og i kirurgi ved Feinberg School of Medicine, og hendes postdoc-stipendiat Adam Jakus, holdet udviklede en ny grafen-baseret blæk, der kan bruges til at udskrive store, robuste 3D-strukturer.

"Folk har prøvet at trykke grafen før, " sagde Shah. "Men det har for det meste været en polymerkomposit med grafen, der udgør mindre end 20 procent af volumen."

Med en så ringe volumen, disse blæk er ikke i stand til at opretholde mange af grafens berømte egenskaber. Men tilføjelse af større mængder grafenflager til blandingen i disse blæksystemer resulterer typisk i trykte strukturer, der er for sprøde og skrøbelige til at manipulere. Shahs blæk er det bedste fra begge verdener. Ved 60-70 procent grafen, det bevarer materialets unikke egenskaber, inklusive dens elektriske ledningsevne. Og den er fleksibel og robust nok til at udskrive robuste makroskopiske strukturer. Blækkets hemmelighed ligger i dets formulering:grafenflagerne er blandet med en biokompatibel elastomer og hurtigt fordampende opløsningsmidler.

"Det er flydende blæk, Shah forklarede. "Efter blækket er ekstruderet, et af opløsningsmidlerne i systemet fordamper med det samme, hvilket får strukturen til at størkne næsten øjeblikkeligt. Tilstedeværelsen af ​​de andre opløsningsmidler og interaktionen med det specifikke valgte polymerbindemiddel har også et væsentligt bidrag til dets resulterende fleksibilitet og egenskaber. Fordi den holder sin form, vi er i stand til at bygge større, veldefinerede objekter."

Støttet af en Google-gave og en McCormick Research Catalyst Award, forskningen er beskrevet i papiret "Tredimensionel udskrivning af grafenstilladser med højt indhold til elektroniske og biomedicinske applikationer, " offentliggjort i april 2015-udgaven af ACS Nano . Jakus er avisens første forfatter. Mark Hersam, Bette og Neison Harris-stolen i Teaching Excellence, professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick, fungerede som medforfatter.

En ekspert i biomaterialer, Shah sagde, at 3-D-printede grafenstilladser kunne spille en rolle i vævsteknologi og regenerativ medicin såvel som i elektroniske enheder. Hendes team befolkede et af stilladserne med stamceller til overraskende resultater. Ikke alene overlevede cellerne, de delte sig, spredte sig, og omdannet til neuronlignende celler.

"Det er uden yderligere vækstfaktorer eller signaler, som folk normalt skal bruge for at inducere differentiering til neuronlignende celler, " sagde Shah. "Hvis vi bare kunne bruge et materiale uden at skulle inkorporere andre dyrere eller komplekse midler, det ville være ideelt."

Den trykte grafenstruktur er også fleksibel og stærk nok til let at blive sutureret til eksisterende væv, så det kunne bruges til biologisk nedbrydelige sensorer og medicinske implantater. Shah sagde, at den biokompatible elastomer og grafens elektriske ledningsevne højst sandsynligt bidrog til stilladsets biologiske succes.

"Celler leder elektricitet iboende - især neuroner, " sagde Shah. "Så hvis de er på et underlag, der kan hjælpe med at lede det signal, de er i stand til at kommunikere over større afstande."

Det grafenbaserede blæk følger direkte arbejde, som Shah og hendes kandidatstuderende Alexandra Rutz afsluttede tidligere på året for at udvikle mere cellekompatibel, vandbaseret, printbare geler. Som kronikeret i et papir offentliggjort i januar 2015-udgaven af Avancerede materialer , Shahs team udviklede 30 udskrivbare bioinkformuleringer, som alle er kompatible materialer til væv og organer. Disse blæk kan udskrive 3-D strukturer, der potentielt kan fungere som udgangspunkt for mere komplekse organer.

"Der er mange forskellige vævstyper, så vi har brug for mange typer blæk, "Shah sagde. "Vi har udvidet den biomateriale-værktøjskasse for at være i stand til at optimere mere mimetisk konstruerede vævskonstruktioner ved hjælp af 3-D-print."