Depuis que le graphène monocouche a fait son apparition sur la scène scientifique en 2004, les possibilités pour le matériau prometteur ont semblé presque infinies. Grâce à sa conductivité électrique élevée, capacité à stocker de l'énergie, et structure ultra-résistante et légère, le graphène a un potentiel pour de nombreuses applications en électronique, énergie, l'environnement, et même la médecine.

Maintenant, une équipe de chercheurs de la Northwestern University a trouvé un moyen d'imprimer des structures tridimensionnelles avec des nanoflocons de graphène. La méthode rapide et efficace pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour l'utilisation d'échafaudages imprimés au graphène, l'ingénierie régénérative et d'autres applications électroniques ou médicales.

Dirigé par Ramille Shah, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern et de chirurgie à la Feinberg School of Medicine, et son boursier postdoctoral Adam Jakus, l'équipe a développé une nouvelle encre à base de graphène qui peut être utilisée pour imprimer en grand, structures 3D robustes.

"Les gens ont déjà essayé d'imprimer du graphène, ", a déclaré Shah. "Mais il s'agit d'un composite principalement polymère avec du graphène représentant moins de 20% du volume."

Avec un volume si maigre, ces encres sont incapables de conserver bon nombre des propriétés célèbres du graphène. Mais l'ajout de volumes plus élevés de flocons de graphène au mélange dans ces systèmes d'encre se traduit généralement par des structures imprimées trop cassantes et fragiles à manipuler. L'encre de Shah est le meilleur des deux mondes. À 60-70 pour cent de graphène, il préserve les propriétés uniques du matériau, y compris sa conductivité électrique. Et il est suffisamment flexible et robuste pour imprimer des structures macroscopiques robustes. Le secret de l'encre réside dans sa formulation :les paillettes de graphène sont mélangées à un élastomère biocompatible et à des solvants à évaporation rapide.

"C'est une encre liquide, " expliqua Shah. " Une fois l'encre extrudée, l'un des solvants du système s'évapore immédiatement, provoquant la solidification de la structure presque instantanément. La présence des autres solvants et l'interaction avec le liant polymère spécifique choisi ont également une contribution significative à sa flexibilité et ses propriétés résultantes. Parce qu'il garde sa forme, nous sommes capables de construire plus grand, objets bien définis."

Soutenu par un cadeau Google et un prix McCormick Research Catalyst, la recherche est décrite dans l'article « Impression tridimensionnelle d'échafaudages à haute teneur en graphène pour des applications électroniques et biomédicales, " publié dans le numéro d'avril 2015 de ACS Nano . Jakus est le premier auteur de l'article. Marc Hersam, la Chaire Bette et Neison Harris d'excellence en enseignement, professeur de science et ingénierie des matériaux à McCormick, a servi de co-auteur.

Expert en biomatériaux, Shah a déclaré que les échafaudages en graphène imprimés en 3D pourraient jouer un rôle dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative ainsi que dans les appareils électroniques. Son équipe a rempli l'un des échafaudages de cellules souches avec des résultats surprenants. Non seulement les cellules ont survécu, ils se sont divisés, proliféré, et transformés en cellules de type neurone.

"C'est sans aucun facteur de croissance ou signal supplémentaire que les gens doivent généralement utiliser pour induire la différenciation en cellules de type neurone, " a déclaré Shah. " Si nous pouvions simplement utiliser un matériau sans avoir besoin d'incorporer d'autres agents plus coûteux ou complexes, ce serait l'idéal."

La structure en graphène imprimé est également suffisamment flexible et solide pour être facilement suturée aux tissus existants, il pourrait donc être utilisé pour des capteurs biodégradables et des implants médicaux. Shah a déclaré que l'élastomère biocompatible et la conductivité électrique du graphène ont très probablement contribué au succès biologique de l'échafaudage.

"Les cellules conduisent l'électricité de manière inhérente, en particulier les neurones, " a déclaré Shah. "Donc, s'ils sont sur un substrat qui peut aider à conduire ce signal, ils sont capables de communiquer sur de plus grandes distances."

L'encre à base de graphène suit directement le travail que Shah et son étudiante diplômée Alexandra Rutz ont terminé plus tôt dans l'année pour développer des cellules plus compatibles, à base d'eau, gels imprimables. Comme indiqué dans un article publié dans le numéro de janvier 2015 de Matériaux avancés , L'équipe de Shah a développé 30 formulations d'encre bio imprimables, qui sont tous des matériaux compatibles pour les tissus et les organes. Ces encres peuvent imprimer des structures 3D qui pourraient potentiellement servir de point de départ pour des organes plus complexes.

"Il existe de nombreux types de tissus différents, nous avons donc besoin de plusieurs types d'encres, ", a déclaré Shah. "Nous avons élargi cette boîte à outils en biomatériaux pour pouvoir optimiser des constructions tissulaires plus mimétiques à l'aide de l'impression 3D."