幾個月前，美國西北大學(xué)的一隊(duì)科學(xué)家開發(fā)出了高石墨烯含量的可3D打印油墨（石墨烯含量高達(dá)60%），從而為實(shí)現(xiàn)3D打印石墨烯結(jié)構(gòu)帶來突破性的成果。要知道3D打印石墨烯結(jié)構(gòu)，堪稱當(dāng)前全球3D打印科研領(lǐng)域的圣杯。如今看起來，科學(xué)家們正在向這座圣杯步步逼近。近日，同樣還是這一支研究團(tuán)隊(duì)，在Ramille Shah的領(lǐng)導(dǎo)下，進(jìn)一步改進(jìn)了該石墨烯3D打印油墨，使其中的石墨烯含量（以體積計(jì)算）從60%大幅提升至75%。

 

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維材料：它是有史以來最薄的材料，只有一個碳原子厚度；也是有史以來最強(qiáng)的材料，強(qiáng)度是一般結(jié)構(gòu)鋼的200倍。石墨烯的導(dǎo)電性優(yōu)于銅，熱傳導(dǎo)性優(yōu)于已知的所有材料。石墨烯幾乎是完全透明的，但結(jié)構(gòu)非常致密，即使是最小的氦原子都不能穿過它。而且它與人類細(xì)胞組織相容。

可以這么說，Shah教授和她的團(tuán)隊(duì)所得到的這種油墨，是迄今為止石墨烯含量最高的一種3D打印材料（在Shah教授之前的紀(jì)錄大約是20％）。這意味著石墨烯獨(dú)特的電氣和機(jī)械性能將很快被投入應(yīng)用。更為重要的是，這種油墨除石墨烯之外的部分主要包括一種具有生物相容性的可降解聚酯（PLG）材料，科學(xué)家們稱，這使得該油墨能夠靈活和安全地用于醫(yī)療應(yīng)用。

 

這支研究團(tuán)隊(duì)在西北大學(xué)生物納米技術(shù)研究所的材料科學(xué)和工程助理教授Ramille Shah和她的博士后研究生Adam Jakus，捕獲到了某個了不起的東西。“人們之前曾經(jīng)嘗試過3D打印石墨烯。但其中石墨烯的比例不到20％體積，實(shí)際上大部分都是高分子復(fù)合材料。”Shah在美國西北大學(xué)的網(wǎng)站上解釋道。這意味著這些材料根本不具備石墨烯的屬性，而且在使用中脆而易碎。雖然你可能會認(rèn)為60-70％的石墨烯含量仍然沒有達(dá)到100%，但是實(shí)際上它已經(jīng)具備所有您所需要的屬性，而剩余的材料只是為了保證其柔韌性和穩(wěn)定性。

該3D打印石墨烯油墨的秘密是：石墨烯被嵌入到微觀薄片中。這使得油墨具有高粘度，而擠出過程會重新排列所有薄片，從而形成具備石墨烯所有特征的一根長線。該石墨烯油墨的3D打印解析度可以達(dá)到100微米以下（打印速度40毫米/秒）。

 

“這是一種液體油墨。”Shah說。“該油墨被擠出后，其中的一種溶劑會馬上蒸發(fā)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)幾乎瞬間固化。其它溶劑的存在，以及與特定聚合物粘合劑的相互作用對于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的柔性和其他性能作用非常大。因?yàn)樗鼡碛蟹€(wěn)固的形狀，所以我們才能夠打造更大的、更為清晰的對象。”Shah關(guān)于這種油墨的最新論文《3D打印高含量石墨烯支架以用于電子與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（Three-dimensional printing of high-content graphene scaffolds for electronic and biomedical applications）》被《ACS Nano》雜志作為封面文章刊出。

更重要的是，可以通過改變石墨烯和聚合物的比例來調(diào)整該材料的彈性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配方該材料可以被拉長81％，而且如果減少石墨烯的比例的話還能夠繼續(xù)拉長（雖然這意味著要失去一些石墨烯屬性）。這意味著，該油墨具有廣泛的應(yīng)用范圍。

到目前為止，關(guān)于該3D打印石墨烯油墨的生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)成功。在進(jìn)行測試時，她的團(tuán)隊(duì)往石墨烯打印的支架上注入了干細(xì)胞，最終的結(jié)果相當(dāng)出色。首先，細(xì)胞存活了下來，然后繼續(xù)分裂、增殖并轉(zhuǎn)化成類似神經(jīng)元的細(xì)胞。“要知道我們并沒有附加任何生長因子或信號，而這是人們誘導(dǎo)分化類神經(jīng)元細(xì)胞常用的方式。”Shah說。“如果我們只使用一種材料就能達(dá)到此種效果，而不需要其它更昂貴復(fù)雜的藥物，那毫無疑問是一種進(jìn)步。”

研究人員也設(shè)想它們可以制成傳感器、植入物和其他結(jié)構(gòu)。“細(xì)胞本身就具有導(dǎo)電性——尤其是神經(jīng)元。所以，如果它們在一個能夠幫助傳導(dǎo)電信號的基板上，就能夠在更寬的距離內(nèi)溝通。”Shah補(bǔ)充說。