Da quando il grafene a strato singolo ha fatto irruzione sulla scena scientifica nel 2004, le possibilità per il materiale promettente sono sembrate quasi infinite. Con la sua elevata conducibilità elettrica, capacità di immagazzinare energia, e struttura ultra resistente e leggera, il grafene ha il potenziale per molte applicazioni in elettronica, energia, l'ambiente, e anche medicina.

Ora un team di ricercatori della Northwestern University ha trovato un modo per stampare strutture tridimensionali con nanoflakes di grafene. Il metodo veloce ed efficiente potrebbe aprire nuove opportunità per l'utilizzo di scaffold stampati con grafene, ingegneria rigenerativa e altre applicazioni elettroniche o mediche.

Guidato da Ramille Shah, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e di chirurgia presso la Feinberg School of Medicine, e il suo collega postdottorato Adam Jakus, il team ha sviluppato un nuovo inchiostro a base di grafene che può essere utilizzato per stampare grandi, strutture 3D robuste.

"Le persone hanno già provato a stampare il grafene, "Ha detto Shah. "Ma è stato un composito per lo più polimerico con grafene che costituisce meno del 20 percento del volume".

Con un volume così scarso, quegli inchiostri non sono in grado di mantenere molte delle celebri proprietà del grafene. Ma l'aggiunta di volumi più elevati di scaglie di grafene alla miscela in questi sistemi di inchiostro si traduce in genere in strutture stampate troppo fragili e fragili da manipolare. L'inchiostro di Shah è il migliore dei due mondi. Al 60-70% di grafene, preserva le proprietà uniche del materiale, compresa la sua conduttività elettrica. Ed è abbastanza flessibile e robusto da stampare strutture macroscopiche robuste. Il segreto dell'inchiostro sta nella sua formulazione:le scaglie di grafene sono mescolate con un elastomero biocompatibile e solventi a rapida evaporazione.

"È un inchiostro liquido, " Shah ha spiegato. "Dopo che l'inchiostro è stato estruso, uno dei solventi nel sistema evapora subito, facendo solidificare la struttura quasi istantaneamente. Anche la presenza degli altri solventi e l'interazione con il legante polimerico specifico prescelto contribuisce in modo significativo alla flessibilità e alle proprietà risultanti. Perché mantiene la sua forma, siamo in grado di costruire più grandi, oggetti ben definiti".

Supportato da un Google Gift e da un McCormick Research Catalyst Award, la ricerca è descritta nel paper "Stampa tridimensionale di scaffold in grafene ad alto contenuto per applicazioni elettroniche e biomediche, " pubblicato nel numero di aprile 2015 di ACS Nano . Jakus è il primo autore dell'articolo. Marco Hersam, la cattedra Bette e Neison Harris in Teaching Excellence, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla McCormick, servito come coautore.

Esperto di biomateriali, Shah ha affermato che le impalcature di grafene stampate in 3D potrebbero svolgere un ruolo nell'ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa, nonché nei dispositivi elettronici. Il suo team ha popolato uno degli scaffold con cellule staminali con risultati sorprendenti. Non solo le cellule sono sopravvissute, si sono divisi, proliferato, e trasformato in cellule simili a neuroni.

"Questo è senza ulteriori fattori di crescita o segnali che le persone di solito devono usare per indurre la differenziazione in cellule simili a neuroni, " ha detto Shah. "Se potessimo semplicemente usare un materiale senza la necessità di incorporare altri agenti più costosi o complessi, sarebbe l'ideale".

La struttura stampata in grafene è anche flessibile e abbastanza forte da essere facilmente suturata ai tessuti esistenti, quindi potrebbe essere utilizzato per sensori biodegradabili e impianti medici. Shah ha affermato che l'elastomero biocompatibile e la conduttività elettrica del grafene molto probabilmente hanno contribuito al successo biologico dell'impalcatura.

"Le cellule conducono elettricità intrinsecamente, specialmente i neuroni, " disse Shah. "Quindi, se si trovano su un substrato che può aiutare a condurre quel segnale, sono in grado di comunicare su distanze più ampie."

L'inchiostro a base di grafene segue direttamente il lavoro che Shah e la sua studentessa Alexandra Rutz hanno completato all'inizio dell'anno per sviluppare una maggiore compatibilità cellulare, a base d'acqua, gel stampabili. Come riportato in un articolo pubblicato nel numero di gennaio 2015 di Materiale avanzato , Il team di Shah ha sviluppato 30 formulazioni di bioinchiostro stampabili, tutti materiali compatibili per tessuti e organi. Questi inchiostri possono stampare strutture 3D che potrebbero potenzialmente fungere da punto di partenza per organi più complessi.

"Ci sono molti diversi tipi di tessuto, quindi abbiamo bisogno di molti tipi di inchiostri, "Ha detto Shah. "Abbiamo ampliato quella cassetta degli attrezzi per i biomateriali per essere in grado di ottimizzare più costrutti di tessuti ingegnerizzati mimetici utilizzando la stampa 3D".