石墨烯的新战场——骨移植领域

美德州莱斯大学(Rice University)的研究人员通过纳米级的焊接技术,将石墨烯构造成一种硬度高,透气性强的新型材料,这一材料未来可被用于骨植入领域。据了解,这次焊接使用的放电等离子体烧结技术通常被用于陶瓷烧制领域,其可避免将材料置于高温或高压环境中。

美德州莱斯大学(Rice University)的研究人员通过纳米级的焊接技术,将石墨烯构造成一种硬度高,透气性强的新型材料,这一材料未来可被用于骨植入领域。据了解,这次焊接使用的放电等离子体烧结技术通常被用于陶瓷烧制领域,其可避免将材料置于高温或高压环境中。

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莱斯大学教授最新的研究报告指出,石墨烯片与固体材料的紧密混合可用于骨头移植。

莱斯大学教授Pulickel Ajayan与德克萨斯州,巴西和印度的同事们,使用放电等离子体将石墨烯片氧化物与多孔材料烧结复合。所得复合物与常用于骨头移植的金属钛合金具有相似的机械力学性能和生物相容性。并由此,在Advanced Materials上发表了一篇相关论文。

研究者认为,他们的技术完全可以利用石墨模具在几分钟内生产出外形高度复杂的石墨烯固体。

莱斯大学博士后研究员Chandra Sekhar Tiwary和印度海得拉巴国际粉末冶金新工艺研究中心的Dibyendu Chakravarty共同为这篇论文的第一作者。具有良好生物相容性的石墨烯因其无限的可能性,而得到众人的垂青。这种特性促使他们思考骨移植的问题。它的力学性能,密度,孔隙度以及生物相容性这四个方面是重要考虑的方面。

Tiwary指出,放电等离子体烧结技术一般在工厂用于生产复杂的陶瓷产品。该技术使用高脉冲电流可以快速焊合片状物体。其仅仅需要高电压,而不需要高温或高压环境。

他们制作的固体材料的孔隙度达到50%,密度只有石墨的一半,金属钛的四分之一。不但如此,该材料作为骨移植替代材料还具有足够的抗压强度——40MPa,表面张力也可以保护材料不受水的侵蚀。

Tiwary指出,通过调节电压的大小制造局部高温焊合石墨烯片,进而调控固体材料的密度。研究者在200℃到400℃烧结范围内,用这种方法制作出了多种不同密度的石墨烯固体复合物。在当地,他们发现在温度为300℃下制造的样品性能是最佳的。最妙的是,二维材料有大量界面可以连接,对于石墨烯,仅仅克服一个很小的激活能就可以得到高强度的连接。

在Hysitron纳米力学机械测试公司的同事帮助下,研究者对2-5层的石墨烯骨移植材料的薄层的载荷性能进行了测试。他们通过扫描电镜专用纳米压痕仪重复测量薄层样品,发现薄层的抗压强度稳定在70μN。

德克萨斯州大学安德森癌症研究中心的同事成功的在该材料上培植出细胞,证明其具有良好的生物相容性。另外,研究者们还发现烧结工艺会把氧化石墨烯片还原成纯双层石墨烯,其稳定性和强度比单层石墨烯和石墨烯氧化物更好。

Ajayan指出,这个例子证实了新型材料用于传统技术中的可能性,但这种方法只可能在二维石墨烯转变成有适当密度和强度的三维固体中运用。纳米构件之间的工程连接和高强度接口是实现目标的最大挑战,但在这个例子中,放电等离子体烧结技术在石墨烯层向3D固体转变中所起的作用不容忽视,很好的解决了这个难题。

原文链接:New graphene material could find use as bone implant

文献链接:3D Porous Graphene by Low-Temperature Plasma Welding for Bone Implants

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