Flingor av grafen svetsade samman till fasta material kan vara lämpliga för benimplantat, enligt en studie ledd av Rice University-forskare.

Materialforskaren Pulickel Ajayans och kollegors rislab i Texas, Brasilien och Indien använde gnistplasmasintring för att svetsa flingor av grafenoxid till porösa fasta ämnen som jämförs med de mekaniska egenskaperna och biokompatibiliteten hos titan, ett vanligt benersättningsmaterial.

Upptäckten är föremål för ett papper i Avancerade material .

Forskarna tror att deras teknik kommer att ge dem förmågan att skapa mycket komplexa former av grafen på några minuter med grafitformar, som de tror skulle vara lättare att bearbeta än specialmetaller.

"Vi började tänka på detta för benimplantat eftersom grafen är ett av de mest spännande materialen med många möjligheter och det är generellt biokompatibelt, " sa Rice postdoktorala forskningsassistent Chandra Sekhar Tiwary, medförfattare till artikeln tillsammans med Dibyendu Chakravarty från International Advanced Research Centre for Powder Metallurgy and New Materials i Hyderabad, Indien. "Fyra saker är viktiga:dess mekaniska egenskaper, densitet, porositet och biokompatibilitet."

Tiwary sa att gnistplasmasintring används i industrin för att tillverka komplexa delar, i allmänhet med keramik. "Tekniken använder en hög pulsström som svetsar ihop flingorna direkt. Du behöver bara högspänning, inte högt tryck eller temperaturer, " sa han. Materialet de gjorde är nästan 50 procent poröst, med en densitet som är hälften av grafit och en fjärdedel av titanmetall. Men den har tillräckligt med tryckstyrka - 40 megapascal - för att kvalificera den för benimplantat, han sa. Styrkan i bindningarna mellan arken hindrar den från att sönderfalla i vatten.

Forskarna kontrollerade materialets densitet genom att ändra spänningen som levererar den mycket lokaliserade värmesprängningen som gör svetsarna i nanoskala. Även om experimenten utfördes vid rumstemperatur, forskarna tillverkade fasta grafen med olika densitet genom att höja dessa sintringstemperaturer från 200 till 400 grader Celsius. Prover gjorda vid lokala temperaturer på 300 C visade sig bäst, sa Tiwary. "Det fina med tvådimensionella material är att de ger dig mycket yta att ansluta. Med grafen, du behöver bara övervinna en liten aktiveringsbarriär för att göra mycket starka svetsar, " han sa.

Med hjälp av kollegor på Hysitron i Minnesota, forskarna mätte bärförmågan hos tunna ark med två- till femskiktsbunden grafen genom att upprepade gånger betona dem med en picoindenter kopplad till ett skannande elektronmikroskop och fann att de var stabila upp till 70 mikronwton. Kollegor vid University of Texas MD Anderson Cancer Center odlade framgångsrikt celler på materialet för att visa dess biokompatibilitet. Som en bonus, forskarna upptäckte också att sintringsprocessen har förmågan att reducera grafenoxidflingor till ren tvåskiktsgrafen, vilket gör dem starkare och mer stabila än grafenmonoskikt eller grafenoxid.

"Det här exemplet visar möjlig användning av okonventionella material i konventionell teknik, "Ajayan sade. "Men dessa övergångar kan bara göras om material som 2-D grafen lager kan skalbart göras till 3-D fasta ämnen med lämplig densitet och styrka.

"Tekniska korsningar och starka gränssnitt mellan nanoskala byggstenar är den största utmaningen för att uppnå sådana mål, men i det här fallet, gnistplasmasintring verkar vara effektiv för att sammanfoga grafenark för att producera starka 3-D fasta ämnen, " han sa.