Sinds enkellaags grafeen in 2004 op de wetenschappelijke wereld verscheen, de mogelijkheden voor het veelbelovende materiaal leken bijna eindeloos. Met zijn hoge elektrische geleidbaarheid, vermogen om energie op te slaan, en ultrasterke en lichtgewicht structuur, grafeen heeft potentieel voor vele toepassingen in de elektronica, energie, de omgeving, en zelfs medicijnen.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Northwestern University een manier gevonden om driedimensionale structuren te printen met grafeen-nanovlokken. De snelle en efficiënte methode zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het gebruik van met grafeen bedrukte steigers, regeneratieve engineering en andere elektronische of medische toepassingen.

Onder leiding van Ramille Shah, assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern en chirurgie aan de Feinberg School of Medicine, en haar postdoctorale collega Adam Jakus, ontwikkelde het team een ​​nieuwe op grafeen gebaseerde inkt die kan worden gebruikt om grote, robuuste 3D-structuren.

"Mensen hebben eerder geprobeerd grafeen af ​​te drukken, "Zei Shah. "Maar het is een voornamelijk polymeercomposiet met grafeen dat minder dan 20 procent van het volume uitmaakt."

Met een zo mager volume, die inkten zijn niet in staat om veel van de beroemde eigenschappen van grafeen te behouden. Maar het toevoegen van grotere volumes grafeenvlokken aan de mix in deze inktsystemen resulteert doorgaans in gedrukte structuren die te broos en kwetsbaar zijn om te manipuleren. Shah's inkt is het beste van twee werelden. Bij 60-70 procent grafeen, het behoudt de unieke eigenschappen van het materiaal, inclusief de elektrische geleidbaarheid. En het is flexibel en robuust genoeg om robuuste macroscopische structuren te printen. Het geheim van de inkt zit in de samenstelling:de grafeenvlokken worden gemengd met een biocompatibel elastomeer en snel verdampende oplosmiddelen.

"Het is een vloeibare inkt, " legde Shah uit. "Nadat de inkt is geëxtrudeerd, een van de oplosmiddelen in het systeem verdampt meteen, waardoor de structuur bijna onmiddellijk stolt. De aanwezigheid van de andere oplosmiddelen en de interactie met het gekozen specifieke polymeerbindmiddel heeft ook een significante bijdrage aan de resulterende flexibiliteit en eigenschappen. Omdat het zijn vorm behoudt, we zijn in staat om groter te bouwen, goed gedefinieerde objecten."

Ondersteund door een Google Gift en een McCormick Research Catalyst Award, het onderzoek wordt beschreven in de paper "Three-dimensional printing of high-content grafene scaffolds for electronic and biomedical applications, " gepubliceerd in het aprilnummer van 2015 ACS Nano . Jakus is de eerste auteur van de krant. Mark Hersam, de Bette en Neison Harris-leerstoel in onderwijsexcellentie, hoogleraar materiaalkunde en techniek bij McCormick, fungeerde als co-auteur.

Een expert in biomaterialen, Shah zei dat 3D-geprinte grafeensteigers een rol kunnen spelen in weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde, evenals in elektronische apparaten. Haar team vulde een van de steigers met stamcellen, met verrassende resultaten. Niet alleen overleefden de cellen, zij verdeelden, verspreid, en veranderde in neuronachtige cellen.

"Dat is zonder extra groeifactoren of signalen die mensen gewoonlijk moeten gebruiken om differentiatie tot neuronachtige cellen te induceren, Shah zei. "Als we een materiaal zouden kunnen gebruiken zonder andere, duurdere of complexere middelen te gebruiken, dat zou ideaal zijn."

De gedrukte grafeenstructuur is ook flexibel en sterk genoeg om gemakkelijk aan bestaande weefsels te worden gehecht, dus het kan worden gebruikt voor biologisch afbreekbare sensoren en medische implantaten. Shah zei dat het biocompatibele elastomeer en de elektrische geleidbaarheid van grafeen hoogstwaarschijnlijk hebben bijgedragen aan het biologische succes van de steiger.

"Cellen geleiden inherent elektriciteit, vooral neuronen, Shah zei. "Dus als ze op een substraat zijn dat kan helpen dat signaal te geleiden, ze kunnen communiceren over grotere afstanden."

De op grafeen gebaseerde inkt volgt direct het werk dat Shah en haar afgestudeerde studente Alexandra Rutz eerder dit jaar voltooiden om meer celcompatibele, op waterbasis, bedrukbare gels. Zoals opgetekend in een paper gepubliceerd in het januari 2015 nummer van Geavanceerde materialen , Shah's team ontwikkelde 30 afdrukbare bioinkt-formuleringen, allemaal compatibele materialen voor weefsels en organen. Deze inkten kunnen 3D-structuren printen die mogelijk als startpunt kunnen dienen voor complexere organen.

"Er zijn veel verschillende weefseltypes, dus we hebben veel soorten inkt nodig, "Zei Shah. "We hebben die gereedschapskist voor biomateriaal uitgebreid om meer nabootsende, gemanipuleerde weefselconstructies te kunnen optimaliseren met behulp van 3D-printen."