石墨烯的新戰場——骨移植領域

材料牛注：美德州萊斯大學(Rice University)的研究人員通過納米級的焊接技術，將石墨烯構造成一種硬度高，透氣性強的新型材料，這一材料未來可被用于骨植入領域。據了解，這次焊接使用的放電等離子體燒結技術通常被用于陶瓷燒制領域，其可避免將材料置于高溫或高壓環境中。

萊斯大學教授最新的研究報告指出，石墨烯片與固體材料的緊密混合可用于骨頭移植。

萊斯大學教授Pulickel Ajayan與德克薩斯州，巴西和印度的同事們，使用放電等離子體將石墨烯片氧化物與多孔材料燒結復合。所得復合物與常用于骨頭移植的金屬鈦合金具有相似的機械力學性能和生物相容性。并由此，在Advanced Materials上發表了一篇相關論文。

研究者認為，他們的技術完全可以利用石墨模具在幾分鐘內生產出外形高度復雜的石墨烯固體。

萊斯大學博士后研究員Chandra Sekhar Tiwary和印度海得拉巴國際粉末冶金新工藝研究中心的Dibyendu Chakravarty共同為這篇論文的第一作者。具有良好生物相容性的石墨烯因其無限的可能性，而得到眾人的垂青。這種特性促使他們思考骨移植的問題。它的力學性能，密度，孔隙度以及生物相容性這四個方面是重要考慮的方面。

Tiwary指出，放電等離子體燒結技術一般在工廠用于生產復雜的陶瓷產品。該技術使用高脈沖電流可以快速焊合片狀物體。其僅僅需要高電壓，而不需要高溫或高壓環境。

他們制作的固體材料的孔隙度達到50%，密度只有石墨的一半，金屬鈦的四分之一。不但如此，該材料作為骨移植替代材料還具有足夠的抗壓強度——40MPa，表面張力也可以保護材料不受水的侵蝕。

Tiwary指出，通過調節電壓的大小制造局部高溫焊合石墨烯片，進而調控固體材料的密度。研究者在200℃到400℃燒結范圍內，用這種方法制作出了多種不同密度的石墨烯固體復合物。在當地，他們發現在溫度為300℃下制造的樣品性能是最佳的。最妙的是，二維材料有大量界面可以連接，對于石墨烯，僅僅克服一個很小的激活能就可以得到高強度的連接。

在Hysitron納米力學機械測試公司的同事幫助下，研究者對2-5層的石墨烯骨移植材料的薄層的載荷性能進行了測試。他們通過掃描電鏡專用納米壓痕儀重復測量薄層樣品，發現薄層的抗壓強度穩定在70_μN。

德克薩斯州大學安德森癌癥研究中心的同事成功的在該材料上培植出細胞，證明其具有良好的生物相容性。另外，研究者們還發現燒結工藝會把氧化石墨烯片還原成純雙層石墨烯，其穩定性和強度比單層石墨烯和石墨烯氧化物更好。

Ajayan指出，這個例子證實了新型材料用于傳統技術中的可能性，但這種方法只可能在二維石墨烯轉變成有適當密度和強度的三維固體中運用。納米構件之間的工程連接和高強度接口是實現目標的最大挑戰，但在這個例子中，放電等離子體燒結技術在石墨烯層向3D固體轉變中所起的作用不容忽視，很好的解決了這個難題。

原文鏈接：New graphene material could find use as bone implant

文獻鏈接：3D Porous Graphene by Low-Temperature Plasma Welding for Bone Implants

本文由材料人編輯部張瑩提供素材，王子鳴編譯，牛蕾審核，點我加入材料人編輯部。