Grafeenvlokken die aan elkaar zijn gelast tot vaste materialen kunnen geschikt zijn voor botimplantaten, volgens een onderzoek onder leiding van wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en collega's in Texas, Brazilië en India gebruikten vonkplasma-sintering om vlokken grafeenoxide te lassen tot poreuze vaste stoffen die gunstig afsteken tegen de mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit van titanium, een standaard botvervangend materiaal.

De ontdekking is het onderwerp van een paper in Geavanceerde materialen .

De onderzoekers geloven dat hun techniek hen in staat zal stellen om in enkele minuten zeer complexe vormen uit grafeen te maken met behulp van grafietvormen. die volgens hen gemakkelijker te verwerken zouden zijn dan speciale metalen.

"We begonnen hierover na te denken voor botimplantaten omdat grafeen een van de meest intrigerende materialen is met veel mogelijkheden en het is over het algemeen biocompatibel, " zei Rice postdoctoraal onderzoeksmedewerker Chandra Sekhar Tiwary, co-hoofdauteur van het artikel met Dibyendu Chakravarty van het International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials in Hyderabad, Indië. "Vier dingen zijn belangrijk:de mechanische eigenschappen, dichtheid, porositeit en biocompatibiliteit."

Tiwary zei dat sinteren met vonkplasma in de industrie wordt gebruikt om complexe onderdelen te maken. meestal met keramiek. "De techniek maakt gebruik van een hoge pulsstroom die de vlokken onmiddellijk aan elkaar last. Je hebt alleen hoogspanning nodig, geen hoge druk of temperaturen, " zei hij. Het materiaal dat ze maakten is bijna 50 procent poreus, met een dichtheid die de helft is van die van grafiet en een kwart van titaniummetaal. Maar het heeft voldoende druksterkte - 40 megapascal - om het te kwalificeren voor botimplantaten, hij zei. De sterkte van de bindingen tussen de platen zorgt ervoor dat het niet uiteenvalt in water.

De onderzoekers controleerden de dichtheid van het materiaal door de spanning te veranderen die de zeer lokale warmtestoot levert die de nanoschaallassen maakt. Hoewel de experimenten bij kamertemperatuur werden uitgevoerd, de onderzoekers maakten vaste stoffen van grafeen met verschillende dichtheid door deze sintertemperaturen te verhogen van 200 tot 400 graden Celsius. Monsters gemaakt bij lokale temperaturen van 300 C bleken het beste, zei Tiwary. "Het leuke van tweedimensionale materialen is dat ze je veel oppervlakte geven om te verbinden. Met grafeen, je hoeft alleen maar een kleine activeringsbarrière te overwinnen om zeer sterke lassen te maken, " hij zei.

Met de hulp van collega's van Hysitron in Minnesota, de onderzoekers maten het draagvermogen van dunne vellen van twee- tot vijflaags gebonden grafeen door ze herhaaldelijk te belasten met een picoindenter bevestigd aan een scanning elektronenmicroscoop en ontdekten dat ze stabiel waren tot 70 micronewton. Collega's van het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas hebben met succes cellen op het materiaal gekweekt om de biocompatibiliteit ervan aan te tonen. Als bonus, de onderzoekers ontdekten ook dat het sinterproces het vermogen heeft om grafeenoxidevlokken te reduceren tot puur dubbellaags grafeen, waardoor ze sterker en stabieler zijn dan grafeenmonolagen of grafeenoxide.

"Dit voorbeeld toont het mogelijke gebruik van onconventionele materialen in conventionele technologieën, "Ajayan zei. "Maar deze overgangen kunnen alleen worden gemaakt als materialen zoals 2D-grafeenlagen schaalbaar kunnen worden gemaakt tot 3D-vaste stoffen met de juiste dichtheid en sterkte.

"Het ontwerpen van knooppunten en sterke interfaces tussen bouwstenen op nanoschaal is de grootste uitdaging om dergelijke doelen te bereiken, maar in dit geval vonkplasma-sintering lijkt effectief te zijn bij het samenvoegen van grafeenplaten om sterke 3D-vaste stoffen te produceren, " hij zei.