Un'immagine al microscopio a fascio ionico focalizzato mostra strati di grafene 3-D saldati insieme in un blocco. Il materiale è biocompatibile e le sue proprietà del materiale soddisfano gli standard necessari per essere considerato un impianto osseo, secondo i ricercatori della Rice University. Credito:Ajayan Group
Scaglie di grafene saldate insieme in materiali solidi possono essere adatte per impianti ossei, secondo uno studio condotto dagli scienziati della Rice University.
Il laboratorio Rice dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan e colleghi in Texas, Il Brasile e l'India hanno utilizzato la sinterizzazione al plasma a scintilla per saldare scaglie di ossido di grafene in solidi porosi che si confrontano favorevolmente con le proprietà meccaniche e la biocompatibilità del titanio, un materiale sostitutivo osseo standard.
La scoperta è oggetto di un paper in Materiale avanzato .
I ricercatori ritengono che la loro tecnica darà loro la capacità di creare forme altamente complesse dal grafene in pochi minuti utilizzando stampi in grafite, che ritengono sarebbe più facile da lavorare rispetto ai metalli speciali.
"Abbiamo iniziato a pensare a questo per gli impianti ossei perché il grafene è uno dei materiali più intriganti con molte possibilità ed è generalmente biocompatibile, ", ha affermato Chandra Sekhar Tiwary, associata di ricerca post-dottorato di Rice, co-autore principale dell'articolo con Dibyendu Chakravarty dell'International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials a Hyderabad, India. "Quattro cose sono importanti:le sue proprietà meccaniche, densità, porosità e biocompatibilità."
Tiwary ha affermato che la sinterizzazione del plasma a scintilla viene utilizzata nell'industria per realizzare parti complesse, generalmente con la ceramica. "La tecnica utilizza un'elevata corrente di impulso che salda insieme i fiocchi istantaneamente. Hai solo bisogno di alta tensione, non ad alta pressione o temperature, " ha detto. Il materiale che hanno realizzato è quasi il 50 percento poroso, con una densità metà di quella della grafite e un quarto del titanio metallico. Ma ha una resistenza alla compressione sufficiente - 40 megapascal - per qualificarlo per gli impianti ossei, Egli ha detto. La forza dei legami tra i fogli ne impedisce la disgregazione in acqua.
I ricercatori hanno controllato la densità del materiale alterando la tensione che fornisce l'esplosione di calore altamente localizzata che rende le saldature su scala nanometrica. Sebbene gli esperimenti siano stati condotti a temperatura ambiente, i ricercatori hanno prodotto solidi di grafene di varia densità aumentando queste temperature di sinterizzazione da 200 a 400 gradi Celsius. I campioni realizzati a temperature locali di 300 C si sono rivelati i migliori, disse Tiwary. "La cosa bella dei materiali bidimensionali è che ti danno molta superficie per connetterti. Con il grafene, basta superare una piccola barriera di attivazione per realizzare saldature molto resistenti, " Egli ha detto.
Con l'aiuto dei colleghi di Hysitron in Minnesota, i ricercatori hanno misurato la capacità portante di sottili fogli di grafene legato da due a cinque strati, sollecitandoli ripetutamente con un picoindentatore collegato a un microscopio elettronico a scansione e hanno scoperto che erano stabili fino a 70 micronewton. I colleghi dell'MD Anderson Cancer Center dell'Università del Texas hanno coltivato con successo cellule sul materiale per mostrarne la biocompatibilità. Come bonus, i ricercatori hanno anche scoperto che il processo di sinterizzazione ha la capacità di ridurre i fiocchi di ossido di grafene a puro grafene a doppio strato, che li rende più forti e più stabili dei monostrati di grafene o dell'ossido di grafene.
Un pellet di ossido di grafene ridotto tridimensionale sviluppato da un team internazionale guidato dalla Rice University mostra il potenziale per sostituire il titanio come materiale per gli impianti ossei. Credito:Rice University
"Questo esempio dimostra il possibile utilizzo di materiali non convenzionali nelle tecnologie convenzionali, "Ajayan ha detto. "Ma queste transizioni possono essere effettuate solo se materiali come gli strati di grafene 2-D possono essere trasformati in modo scalabile in solidi 3-D con densità e forza appropriate.
"Le giunzioni ingegneristiche e le forti interfacce tra i mattoni su scala nanometrica sono la sfida più grande nel raggiungimento di tali obiettivi, ma in questo caso, la sinterizzazione al plasma a scintilla sembra essere efficace nell'unire i fogli di grafene per produrre solidi solidi 3-D, " Egli ha detto.
