Une image focalisée au microscope à faisceau d'ions montre des couches de graphène 3D soudées ensemble dans un bloc. Le matériau est biocompatible et ses propriétés matérielles répondent aux normes nécessaires pour être considéré comme un implant osseux, selon des chercheurs de l'Université Rice. Crédit :Ajayan Group
Des flocons de graphène soudés ensemble dans des matériaux solides peuvent convenir aux implants osseux, selon une étude menée par des scientifiques de l'Université Rice.
Le laboratoire Rice du scientifique des matériaux Pulickel Ajayan et ses collègues du Texas, Le Brésil et l'Inde ont utilisé le frittage par plasma à étincelles pour souder des flocons d'oxyde de graphène en solides poreux qui se comparent favorablement aux propriétés mécaniques et à la biocompatibilité du titane, un matériau de remplacement osseux standard.
La découverte fait l'objet d'un article dans Matériaux avancés .
Les chercheurs pensent que leur technique leur donnera la possibilité de créer des formes très complexes à partir de graphène en quelques minutes à l'aide de moules en graphite, qu'ils pensent être plus faciles à traiter que les métaux spéciaux.
"Nous avons commencé à y penser pour les implants osseux car le graphène est l'un des matériaux les plus intrigants avec de nombreuses possibilités et il est généralement biocompatible, " a déclaré Chandra Sekhar Tiwary, associée de recherche postdoctorale à Rice, co-auteur principal de l'article avec Dibyendu Chakravarty du Centre international de recherche avancée pour la métallurgie des poudres et les nouveaux matériaux à Hyderabad, Inde. « Quatre choses sont importantes :ses propriétés mécaniques, densité, porosité et biocompatibilité."
Tiwary a déclaré que le frittage par plasma à étincelles est utilisé dans l'industrie pour fabriquer des pièces complexes, généralement avec de la céramique. "La technique utilise un courant d'impulsion élevé qui soude les flocons ensemble instantanément. Vous n'avez besoin que d'une haute tension, pas de pression ou de températures élevées, " a-t-il dit. Le matériau qu'ils ont fabriqué est près de 50 pour cent poreux, avec une densité moitié de celle du graphite et un quart du titane métal. Mais il a une résistance à la compression suffisante - 40 mégapascals - pour le qualifier pour les implants osseux, il a dit. La force des liaisons entre les feuilles l'empêche de se désintégrer dans l'eau.
Les chercheurs ont contrôlé la densité du matériau en modifiant la tension qui délivre le souffle de chaleur très localisé qui crée les soudures à l'échelle nanométrique. Bien que les expériences aient été réalisées à température ambiante, les chercheurs ont fabriqué des solides de graphène de différentes densités en augmentant ces températures de frittage de 200 à 400 degrés Celsius. Les échantillons faits à des températures locales de 300 C se sont avérés les meilleurs, dit Tiwary. « Ce qui est bien avec les matériaux bidimensionnels, c'est qu'ils vous offrent une grande surface de connexion. Avec le graphène, il suffit de franchir une petite barrière d'activation pour réaliser des soudures très solides, " il a dit.
Avec l'aide de collègues d'Hysitron au Minnesota, les chercheurs ont mesuré la capacité de charge de fines feuilles de graphène lié de deux à cinq couches en les sollicitant à plusieurs reprises avec un picoindenteur attaché à un microscope électronique à balayage et ont constaté qu'elles étaient stables jusqu'à 70 micronewtons. Des collègues de l'Université du Texas MD Anderson Cancer Center ont cultivé avec succès des cellules sur le matériau pour montrer sa biocompatibilité. En prime, les chercheurs ont également découvert que le processus de frittage a la capacité de réduire les flocons d'oxyde de graphène en graphène bicouche pur, ce qui les rend plus solides et plus stables que les monocouches de graphène ou l'oxyde de graphène.
Une pastille d'oxyde de graphène réduit en trois dimensions développée par une équipe internationale dirigée par l'Université Rice montre le potentiel de remplacer le titane comme matériau pour les implants osseux. Crédit :Université Rice
« Cet exemple démontre l'utilisation possible de matériaux non conventionnels dans les technologies conventionnelles, " Ajayan a déclaré. "Mais ces transitions ne peuvent être réalisées que si des matériaux tels que des couches de graphène 2D peuvent être transformés de manière évolutive en solides 3D avec une densité et une résistance appropriées.
"L'ingénierie des jonctions et des interfaces fortes entre les blocs de construction à l'échelle nanométrique est le plus grand défi pour atteindre de tels objectifs, mais dans ce cas, le frittage par plasma d'étincelle semble être efficace pour joindre des feuilles de graphène afin de produire des solides 3D solides, " il a dit.
