Alors que nos imprimantes de bureau 3D sont malheureusement limitées à du filament de plastique, des experts en fabrication croient que le potentiel de l’imprimante 3D se trouve largement dans d’autres matériaux dotés de plus d’applications et de propriétés. Des produits comme les résines et les métaux viennent rapidement à l’esprit, mais le graphène est à bien des égards le Saint Graal de la fabrication 3D. Il est donc très intéressant d’entendre qu’une équipe d’ingénieurs basés à Londres ont expérimenté avec succès l’impression en 3D de graphène. Et maintenant, les chercheurs de la Northwestern University ont développé une solution basée sur une encre en graphène imprimable en 3D. Comme ils l’expliquent dans un nouveau document de recherche, elle peut être utilisée pour fabriquer des objets de plusieurs centimètres de longueur, ce qui en fait un filament idéal pour diverses applications technologiques et médicales.
Pour l’expliquer, le graphène est essentiellement une forme de carbone, tout comme les diamants ou le plomb dans les crayons. Mais contrairement à la plupart des formes de carbone, le graphène est un matériau 2D qui est constitué d’une feuille hexagonal de seulement un seul atome d’épaisseur.
Cela signifie qu’il peut être fabriqué dans des formes de littéralement toute taille, mais ses propriétés sont particulièrement intéressantes. Non seulement il est très léger, flexible et extrêmement durable (une centaine de fois plus résistant que l’acier), mais il est également un conducteur très efficace de la chaleur et de l’électricité et est compatible avec le tissu cellulaire humaine.
Vous n’avez pas besoin d’être un rêveur pour imaginer rapidement les diverses applications intéressantes, de sorte qu’il n’est guère surprenant que cette substance (qui n’existe seulement théoriquement que depuis 2004) intéresse les fabricants. Comme il tourne essentiellement autour des particules atomiques simples, il est théoriquement très approprié pour l’impression 3D, et il y a quelques mois, une équipe britannique a réussi à faire exactement cela.
Mais maintenant, cette entreprise de la Northwestern University a – en utilisant une approche différente du «filament» – a réussi à imprimer en 3D (par extrusion) des formes arbitraires d’échafaudages électriquement conducteurs, mécaniquement résistants et biocompatibles sous différentes formes et tailles.
Jusqu’à présent, les essais ont montré que des échafaudages de graphène sont très souples et peuvent avoir des diamètres allant de 100 à 1000 µm, bien que plusieurs centimètres soient également possibles.
Cette nouvelle et passionnante innovation a été développée par le professeur adjoint de science et génie des matériaux, Ramille N. Shah et le professeur adjoint de chirurgie Simpson Querrey, tous deux de l’Institut de BioNanotechnologie à la Northwestern University.
Avec une grande équipe d’étudiants diplômés et une bioimprimante envisionTEC BioPlotter 3D, ils ont réussi à créer une substance imprimable en 3D avec une teneur en graphène bien plus élevé qu’auparavant. ‘Du point de vue de l’impression 3D, le graphène a été préalablement incorporé dans des matériaux imprimés en 3D, mais la plupart de ces constructions ne comprennent pas plus d’environ 20% en volume de matière solide totale du composite, ce qui entraîne des propriétés électriques qui sont sensiblement moindres que ce qu’il est décrit dans leur récent travail.
Comme ils l’expliquent dans un article publié dans l’édition en ligne de ACS Nano (« Three-Dimensional Printing of High-Content Graphene Scaffolds for Electronic and Biomédical Applications»), leur «filament» se compose principalement de graphène (environ 60% de celui-ci). Et tandis que le graphène est raide et cassant, leur solution est très imprimable en 3D et très flexible – ce qui est parfait pour les applications dont nous rêvons. La clé dans l’obtention de ce niveau élevé de graphène et ses fonctions structurelles est un liant élastomère biocompatible particulier appelé PLG.
Ramille Shah explique que leur travail a été motivée par la nécessité de biomatériaux novateurs pour des applications médicales – la régénération des tissus nerveux en particulier – qui sont relativement peu coûteux et faciles à produire. Et ces encres de graphène sont très appropriées pour cette fonction.
En un mot, ceci est développé par la combinaison et le mélange de solutions d’élastomère avec une dispersion de poudre de graphène. La solution est ensuite épaissie et réduite. Ce processus peut théoriquement être fait à n’importe quelle échelle, en assurant suffisamment de fournitures médicales.
Comme Ramille Shah continue à l’expliquer, leurs tests ont déjà montré que ces encres sont particulièrement bien adaptées pour un usage médical, car elles sont chirurgicalement bonnes et peuvent être fabriquées pour toute taille et suture pour les tissus humains. Ce qui particulièrement intéressant est le résultat des structures en graphène utilisés dans les cellules souches qui peuvent devenir des cellules nerveuses.
«Dans nos expériences, nous avons montré la capacité des échafaudages de graphène en 3D pour induire une différenciation neurogène de cellules souches mésenchymateuses adultes sans nécessiter tous les autres facteurs de croissance neurogène ou des stimuli externes » dit-elle. «Ceci est une découverte majeure qui prend en charge l’utilisation de matériaux eux-mêmes pour induire des réponses cellulaires spécifiques qui peuvent être exploitées pour ingénierie tissulaire et des applications en médecine régénérative ».
Cette nouvelle encre passionnante et révolutionnaire pour l’impression 3D pourrait ainsi ouvrir la porte pour encourager la régénération des tissus endommagés ou non-fonctionnels tels que des nerfs, des os, et même les muscles cardiaques. Comme elles sont aussi relativement faciles (et peu coûteuses) à produire et à utiliser dans un environnement médical, les encres de graphène vont sans doute révolutionner l’industrie médicale. Et à côté de ces applications médicales évidentes, les biocapteurs implantables et un grand nombre d’appareils électriques peuvent également être développés avec le graphène. Ceci ressemble à la prochaine génération de la technologie d’impression 3D qui est déjà là.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b01179
