Una imagen de microscopio de haz de iones enfocado muestra capas de grafeno tridimensionales soldadas juntas en un bloque. El material es biocompatible y sus propiedades cumplen con los estándares necesarios para su consideración como implante óseo. según investigadores de la Universidad de Rice. Crédito:Ajayan Group
Las escamas de grafeno soldadas entre sí en materiales sólidos pueden ser adecuadas para implantes óseos, según un estudio dirigido por científicos de la Universidad de Rice.
El laboratorio de Rice del científico de materiales Pulickel Ajayan y sus colegas en Texas, Brasil e India utilizaron la sinterización por plasma de chispa para soldar escamas de óxido de grafeno en sólidos porosos que se comparan favorablemente con las propiedades mecánicas y biocompatibilidad del titanio. un material de reemplazo óseo estándar.
El descubrimiento es el tema de un artículo en Materiales avanzados .
Los investigadores creen que su técnica les dará la capacidad de crear formas muy complejas a partir de grafeno en minutos utilizando moldes de grafito. que creen que sería más fácil de procesar que los metales especiales.
"Empezamos a pensar en esto para los implantes óseos porque el grafeno es uno de los materiales más intrigantes con muchas posibilidades y, en general, es biocompatible". ", dijo el investigador asociado postdoctoral de Rice, Chandra Sekhar Tiwary, coautor principal del artículo con Dibyendu Chakravarty del Centro Internacional de Investigación Avanzada para la metalurgia de polvos y nuevos materiales en Hyderabad, India. "Cuatro cosas son importantes:sus propiedades mecánicas, densidad, porosidad y biocompatibilidad ".
Tiwary dijo que la sinterización por plasma de chispa se utiliza en la industria para fabricar piezas complejas, generalmente con cerámica. "La técnica utiliza una corriente de pulso alta que suelda las escamas al instante. Solo necesita alto voltaje, no alta presión o temperaturas, ", dijo. El material que fabricaron es casi un 50 por ciento poroso, con una densidad de la mitad que la del grafito y una cuarta parte del metal titanio. Pero tiene suficiente resistencia a la compresión (40 megapascales) para calificarlo para implantes óseos, él dijo. La fuerza de las uniones entre las hojas evita que se desintegre en el agua.
Los investigadores controlaron la densidad del material alterando el voltaje que entrega la ráfaga de calor altamente localizada que produce las soldaduras a nanoescala. Aunque los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente, los investigadores produjeron sólidos de grafeno de diversa densidad elevando estas temperaturas de sinterización de 200 a 400 grados Celsius. Las muestras hechas a temperaturas locales de 300 C resultaron ser las mejores, Dijo Tiwary. "Lo bueno de los materiales bidimensionales es que te dan mucha superficie para conectar. Con el grafeno, solo necesita superar una pequeña barrera de activación para hacer soldaduras muy fuertes, " él dijo.
Con la ayuda de colegas de Hysitron en Minnesota, Los investigadores midieron la capacidad de carga de láminas delgadas de grafeno unido de dos a cinco capas estresándolas repetidamente con un picoindentador conectado a un microscopio electrónico de barrido y encontraron que eran estables hasta 70 micronewtons. Los colegas del MD Anderson Cancer Center de la Universidad de Texas cultivaron con éxito células en el material para demostrar su biocompatibilidad. Como bonificación, Los investigadores también descubrieron que el proceso de sinterización tiene la capacidad de reducir las escamas de óxido de grafeno a grafeno bicapa puro. lo que los hace más fuertes y estables que las monocapas de grafeno o el óxido de grafeno.
Un gránulo de óxido de grafeno reducido tridimensional desarrollado por un equipo internacional dirigido por la Universidad de Rice muestra el potencial para reemplazar al titanio como material para implantes óseos. Crédito:Universidad de Rice
"Este ejemplo demuestra el posible uso de materiales no convencionales en tecnologías convencionales, "Ajayan dijo." Pero estas transiciones solo se pueden hacer si materiales como las capas de grafeno 2-D se pueden convertir a escala en sólidos 3-D con la densidad y resistencia adecuadas.
"Las uniones de ingeniería y las interfaces sólidas entre los bloques de construcción a nanoescala es el mayor desafío para lograr tales objetivos, pero en este caso, La sinterización por plasma de chispa parece ser eficaz para unir láminas de grafeno para producir sólidos tridimensionales fuertes, " él dijo.
