Ända sedan enskiktsgrafen bröt ut på vetenskapsscenen 2004, möjligheterna för det lovande materialet har verkat nästan oändliga. Med sin höga elektriska ledningsförmåga, förmåga att lagra energi, och ultrastark och lätt struktur, grafen har potential för många tillämpningar inom elektronik, energi, miljön, och till och med medicin.

Nu har ett team av Northwestern University-forskare hittat ett sätt att skriva ut tredimensionella strukturer med grafennanoflingor. Den snabba och effektiva metoden kan öppna upp nya möjligheter för att använda grafentryckta ställningar regenerativ teknik och andra elektroniska eller medicinska tillämpningar.

Leds av Ramille Shah, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och i kirurgi vid Feinberg School of Medicine, och hennes postdoktor Adam Jakus, teamet utvecklade ett nytt grafenbaserat bläck som kan användas för att skriva ut stora, robusta 3D-strukturer.

"Folk har försökt skriva ut grafen tidigare, "Shah sa. "Men det har varit en mestadels polymerkomposit med grafen som utgör mindre än 20 procent av volymen."

Med en så mager volym, dessa bläck kan inte behålla många av grafens berömda egenskaper. Men att lägga till större volymer grafenflingor till blandningen i dessa bläcksystem resulterar vanligtvis i att tryckta strukturer är för spröda och ömtåliga att manipulera. Shahs bläck är det bästa av två världar. Vid 60-70 procent grafen, det bevarar materialets unika egenskaper, inklusive dess elektriska ledningsförmåga. Och den är tillräckligt flexibel och robust för att skriva ut robusta makroskopiska strukturer. Bläckets hemlighet ligger i dess formulering:grafenflingorna blandas med en biokompatibel elastomer och snabbt förångande lösningsmedel.

"Det är ett flytande bläck, Shah förklarade. "Efter att bläcket har extruderats, ett av lösningsmedlen i systemet avdunstar direkt, vilket får strukturen att stelna nästan omedelbart. Närvaron av de andra lösningsmedlen och interaktionen med det specifika polymerbindemedlet som valts har också ett betydande bidrag till dess resulterande flexibilitet och egenskaper. Eftersom den håller sin form, vi kan bygga större, väldefinierade objekt."

Stöds av en Google-gåva och en McCormick Research Catalyst Award, forskningen beskrivs i artikeln "Tredimensionell utskrift av grafenställningar med högt innehåll för elektroniska och biomedicinska tillämpningar, " publicerad i aprilnumret 2015 av ACS Nano . Jakus är tidningens första författare. Mark Hersam, Bette och Neison Harris ordförande i Teaching Excellence, professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick, fungerade som medförfattare.

En expert på biomaterial, Shah sa att 3D-tryckta grafenställningar kan spela en roll i vävnadsteknik och regenerativ medicin såväl som i elektroniska enheter. Hennes team befolkade en av byggnadsställningarna med stamceller till överraskande resultat. Inte bara överlevde cellerna, de delade, förökat sig, och förvandlades till neuronliknande celler.

"Det är utan några ytterligare tillväxtfaktorer eller signaler som människor vanligtvis måste använda för att inducera differentiering till neuronliknande celler, " Sa Shah. "Om vi ​​bara kunde använda ett material utan att behöva inkludera andra dyrare eller mer komplexa medel, det vore idealiskt."

Den tryckta grafenstrukturen är också flexibel och stark nog att enkelt sys till befintliga vävnader, så det skulle kunna användas för biologiskt nedbrytbara sensorer och medicinska implantat. Shah sa att den biokompatibla elastomeren och grafenens elektriska ledningsförmåga troligen bidrog till ställningens biologiska framgång.

"Celler leder elektricitet i sig - speciellt neuroner, " Sa Shah. "Så om de är på ett underlag som kan hjälpa till att leda den signalen, de kan kommunicera över större avstånd."

Det grafenbaserade bläcket följer direkt arbete som Shah och hennes doktorand Alexandra Rutz slutförde tidigare under året för att utveckla mer cellkompatibla, vattenbaserad, utskrivbara geler. Som krönikeras i en tidning publicerad i januarinumret 2015 av Avancerade material , Shahs team utvecklade 30 utskrivbara biobläckformuleringar, som alla är kompatibla material för vävnader och organ. Dessa bläck kan skriva ut 3D-strukturer som potentiellt skulle kunna fungera som startpunkten för mer komplexa organ.

"Det finns många olika vävnadstyper, så vi behöver många typer av bläck, "Shah sa. "Vi har utökat den biomaterialverktygslådan för att kunna optimera mer mimetiskt framställda vävnadskonstruktioner med hjälp av 3-D-utskrift."