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科学家开发出含75%石墨烯的3D打印油墨

导读: 几个月前,OFweek3D打印网曾经报道了美国西北大学的一队科学家开发出了高石墨烯含量的可3D打印油墨(石墨烯含量高达60%),从而为实现3D打印石墨烯结构带来突破性的成果。要知道3D打印石墨烯结构,堪称当前全球3D打印科研领域的圣杯。

  几个月前,OFweek3D打印网曾经报道了美国西北大学的一队科学家开发出了高石墨烯含量的可3D打印油墨(石墨烯含量高达60%),从而为实现3D打印石墨烯结构带来突破性的成果。要知道3D打印石墨烯结构,堪称当前全球3D打印科研领域的圣杯。如今看起来,科学家们正在向这座圣杯步步逼近。近日,同样还是这一支研究团队,在Ramille Shah的领导下,进一步改进了该石墨烯3D打印油墨,使其中的石墨烯含量(以体积计算)从60%大幅提升至75%。

  石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料:它是有史以来最薄的材料,只有一个碳原子厚度;也是有史以来最强的材料,强度是一般结构钢的200倍。石墨烯的导电性优于铜,热传导性优于已知的所有材料。石墨烯几乎是完全透明的,但结构非常致密,即使是最小的氦原子都不能穿过它。而且它与人类细胞组织相容。

  可以这么说,Shah教授和她的团队所得到的这种油墨,是迄今为止石墨烯含量最高的一种3D打印材料(在Shah教授之前的纪录大约是20%)。这意味着石墨烯独特的电气和机械性能将很快被投入应用。更为重要的是,这种油墨除石墨烯之外的部分主要包括一种具有生物相容性的可降解聚酯(PLG)材料,科学家们称,这使得该油墨能够灵活和安全地用于医疗应用。

  这支研究团队在西北大学生物纳米技术研究所的材料科学和工程助理教授Ramille Shah和她的博士后研究生Adam Jakus,捕获到了某个了不起的东西。“人们之前曾经尝试过3D打印石墨烯。但其中石墨烯的比例不到20%体积,实际上大部分都是高分子复合材料。”Shah在美国西北大学的网站上解释道。这意味着这些材料根本不具备石墨烯的属性,而且在使用中脆而易碎。虽然你可能会认为60-70%的石墨烯含量仍然没有达到100%,但是实际上它已经具备所有您所需要的属性,而剩余的材料只是为了保证其柔韧性和稳定性。

  该3D打印石墨烯油墨的秘密是:石墨烯被嵌入到微观薄片中。这使得油墨具有高粘度,而挤出过程会重新排列所有薄片,从而形成具备石墨烯所有特征的一根长线。该石墨烯油墨的3D打印解析度可以达到100微米以下(打印速度40毫米/秒)。

  “这是一种液体油墨。”Shah说。“该油墨被挤出后,其中的一种溶剂会马上蒸发,导致结构几乎瞬间固化。其它溶剂的存在,以及与特定聚合物粘合剂的相互作用对于实现结构的柔性和其他性能作用非常大。因为它拥有稳固的形状,所以我们才能够打造更大的、更为清晰的对象。”Shah关于这种油墨的最新论文《3D打印高含量石墨烯支架以用于电子与生物医学应用(Three-dimensional printing of high-content graphene scaffolds for electronic and biomedical applications)》被《ACS Nano》杂志作为封面文章刊出。

  更重要的是,可以通过改变石墨烯和聚合物的比例来调整该材料的弹性。根据标准配方该材料可以被拉长81%,而且如果减少石墨烯的比例的话还能够继续拉长(虽然这意味着要失去一些石墨烯属性)。这意味着,该油墨具有广泛的应用范围。

  到目前为止,关于该3D打印石墨烯油墨的生物医学实验相当成功。在进行测试时,她的团队往石墨烯打印的支架上注入了干细胞,最终的结果相当出色。首先,细胞存活了下来,然后继续分裂、增殖并转化成类似神经元的细胞。“要知道我们并没有附加任何生长因子或信号,而这是人们诱导分化类神经元细胞常用的方式。”Shah说。“如果我们只使用一种材料就能达到此种效果,而不需要其它更昂贵复杂的药物,那毫无疑问是一种进步。”

  研究人员也设想它们可以制成传感器、植入物和其他结构。“细胞本身就具有导电性——尤其是神经元。所以,如果它们在一个能够帮助传导电信号的基板上,就能够在更宽的距离内沟通。”Shah补充说。

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