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科學家開發出含75%石墨烯的可3D打印油墨

早在幾個月前,美國西北大學的一隊科學家開發出了高石墨烯含量的可3D打印油墨(石墨烯含量高達60%),從而為實現3D打印石墨烯結構帶來突破性的成果。要知道3D打印石墨烯結構,堪稱當前全球3D打印科研領域的聖杯。如今看起來,科學家們正在向這座聖杯步步逼近。近日,同樣還是這一支研究團隊,在Ramille Shah的領導下,進一步改進了該石墨烯3D打印油墨,使其中的石墨烯含量(以體積計算)從60%大幅提升至75%。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的二維材料:它是有史以來最薄的材料,隻有一個碳原子厚度;也是有史以來最強的材料,強度是一般結構鋼的200倍。石墨烯的導電性優于銅,熱傳導性優于已知的所有材料。石墨烯幾乎是完全透明的,但結構非常緻密,即使是最小的氦原子都不能穿過它。而且它與人類細胞組織相容。
可以這麼說,Shah教授和她的團隊所得到的這種油墨,是迄今為止石墨烯含量最高的一種3D打印材料(在Shah教授之前的紀錄大約是20%)。這意味着石墨烯獨特的電氣和機械性能将很快被投入應用。更為重要的是,這種油墨除石墨烯之外的部分主要包括一種具有生物相容性的可降解聚酯(PLG)材料,科學家們稱,這使得該油墨能夠靈活和安全地用于醫療應用。

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這支研究團隊在西北大學生物納米技術研究所的材料科學和工程助理教授Ramille Shah和她的博士後研究生Adam Jakus,捕獲到了某個了不起的東西。“人們之前曾經嘗試過3D打印石墨烯。但其中石墨烯的比例不到20%體積,實際上大部分都是高分子複合材料。”Shah在美國西北大學的網站上解釋道。這意味着這些材料根本不具備石墨烯的屬性,而且在使用中脆而易碎。雖然你可能會認為60-70%的石墨烯含量仍然沒有達到100%,但是實際上它已經具備所有您所需要的屬性,而剩餘的材料隻是為了保證其柔韌性和穩定性。

該3D打印石墨烯油墨的秘密是:石墨烯被嵌入到微觀薄片中。這使得油墨具有高粘度,而擠出過程會重新排列所有薄片,從而形成具備石墨烯所有特征的一根長線。該石墨烯油墨的3D打印解析度可以達到100微米以下(打印速度40毫米/秒)。

“這是一種液體油墨。”Shah說。“該油墨被擠出後,其中的一種溶劑會馬上蒸發,導緻結構幾乎瞬間固化。其它溶劑的存在,以及與特定聚合物粘合劑的相互作用對于實現結構的柔性和其他性能作用非常大。因為它擁有穩固的形狀,所以我們才能夠打造更大的、更為清晰的對象。”Shah關于這種油墨的最新論文《3D打印高含量石墨烯支架以用于電子與生物醫學應用(Three-dimensional printing of high-content graphene scaffolds for electronic and biomedical applications)》被《ACS Nano》雜志作為封面文章刊出。

更重要的是,可以通過改變石墨烯和聚合物的比例來調整該材料的彈性。根據标準配方該材料可以被拉長81%,而且如果減少石墨烯的比例的話還能夠繼續拉長(雖然這意味着要失去一些石墨烯屬性)。這意味着,該油墨具有廣泛的應用範圍。

到目前為止,關于該3D打印石墨烯油墨的生物醫學實驗相當成功。在進行測試時,她的團隊往石墨烯打印的支架上注入了幹細胞,最終的結果相當出色。首先,細胞存活了下來,然後繼續分裂、增殖并轉化成類似神經元的細胞。“要知道我們并沒有附加任何生長因子或信号,而這是人們誘導分化類神經元細胞常用的方式。”Shah說。“如果我們隻使用一種材料就能達到此種效果,而不需要其它更昂貴複雜的藥物,那毫無疑問是一種進步。”

研究人員也設想它們可以制成傳感器、植入物和其他結構。“細胞本身就具有導電性——尤其是神經元。所以,如果它們在一個能夠幫助傳導電信号的基闆上,就能夠在更寬的距離内溝通。”Shah補充說。

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