3-D grafen har løftet for bioapplikationer:Team svejser plader i nanoskala for at danne hårde, porøst materiale

Flager af grafen svejset sammen til faste materialer kan være velegnede til knogleimplantater, ifølge en undersøgelse ledet af Rice University-forskere.

Rice lab af materialeforsker Pulickel Ajayan og kolleger i Texas, Brasilien og Indien brugte gnistplasmasintring til at svejse flager af grafenoxid til porøse faste stoffer, der sammenligner sig positivt med titaniums mekaniske egenskaber og biokompatibilitet, et standard knogleerstatningsmateriale.

Opdagelsen er genstand for et papir i Avancerede materialer .

Forskerne mener, at deres teknik vil give dem mulighed for at skabe meget komplekse former ud af grafen på få minutter ved hjælp af grafitforme, som de mener ville være lettere at forarbejde end specialmetaller.

"Vi begyndte at tænke på dette for knogleimplantater, fordi grafen er et af de mest spændende materialer med mange muligheder, og det er generelt biokompatibelt, " sagde Rice postdoc-forsker Chandra Sekhar Tiwary, co-lead forfatter af papiret sammen med Dibyendu Chakravarty fra International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials i Hyderabad, Indien. "Fire ting er vigtige:dets mekaniske egenskaber, massefylde, porøsitet og biokompatibilitet."

Tiwary sagde, at gnistplasmasintring bliver brugt i industrien til at fremstille komplekse dele, generelt med keramik. "Teknikken bruger en høj pulsstrøm, der svejser flagerne sammen med det samme. Du behøver kun højspænding, ikke højt tryk eller temperaturer, " sagde han. Materialet de lavede er næsten 50 procent porøst, med en densitet, der er halvdelen af ​​grafit og en fjerdedel af titaniummetal. Men den har nok trykstyrke - 40 megapascal - til at kvalificere den til knogleimplantater, han sagde. Styrken af ​​bindingerne mellem pladerne forhindrer det i at gå i opløsning i vand.

Forskerne kontrollerede materialets tæthed ved at ændre spændingen, der leverer den meget lokaliserede varmesprængning, der laver svejsninger i nanoskala. Selvom eksperimenterne blev udført ved stuetemperatur, forskerne lavede grafen faste stoffer af forskellig densitet ved at hæve disse sintringstemperaturer fra 200 til 400 grader Celsius. Prøver lavet ved lokale temperaturer på 300 C viste sig bedst, sagde Tiwary. "Det fine ved todimensionelle materialer er, at de giver dig en masse overfladeareal at forbinde. Med grafen, du skal bare overvinde en lille aktiveringsbarriere for at lave meget stærke svejsninger, " han sagde.

Med hjælp fra kolleger hos Hysitron i Minnesota, forskerne målte bæreevnen af ​​tynde plader af to- til femlags bundet grafen ved gentagne gange at stresse dem med en picoindenter fastgjort til et scanningelektronmikroskop og fandt ud af, at de var stabile op til 70 mikronewton. Kolleger ved University of Texas MD Anderson Cancer Center dyrkede med succes celler på materialet for at vise dets biokompatibilitet. Som en bonus, forskerne opdagede også, at sintringsprocessen har evnen til at reducere grafenoxidflager til ren tolagsgrafen, hvilket gør dem stærkere og mere stabile end grafenmonolag eller grafenoxid.

"Dette eksempel viser den mulige brug af ukonventionelle materialer i konventionelle teknologier, "Ajayan sagde. "Men disse overgange kan kun laves, hvis materialer såsom 2-D grafenlag kan skalerbart laves til 3-D faste stoffer med passende tæthed og styrke.

"Ingeniørknudepunkter og stærke grænseflader mellem byggesten i nanoskala er den største udfordring i at nå sådanne mål, men i dette tilfælde, gnistplasmasintring ser ud til at være effektiv til at forbinde grafenplader for at producere stærke 3D-faststoffer, " han sagde.