「3D列印＋金剛石」助推生物醫學、納米材料間「拉鏈」性能首獲系統認知、10微米厚高品質單晶硅被成功開發

「3D列印+金剛石」助推生物醫學和骨科邁入新篇章

來自皇家墨爾本理工大學（RMIT University）的研究人員首次使用了鑽石幫助改善身體對生物醫學植入物的相容性。

時下很常用的醫學植入材料之一是金屬鈦，這是一種非常可靠的金屬材料，可以針對患者的需求進行快速的定製化，但是，我們的身體有時候對這種材料是排斥的。這是由於金屬鈦中的化學物質，妨礙了組織和骨骼同生物植入物有效的結合。能否選用一種材料對鈦金屬進行好的包被從而改善它的生物相容性呢？

RMIT的研究人員選擇了一種出人意表的特殊材料——鑽石，當然，處於成本考量，這是合成的鑽石（人造金剛石）。這種並不昂貴的材料為困擾研究人員許久的問題提供了一個切實的解決方案。

這是3D列印的人造金剛石首次應用於生物醫學植入，以及涉及骨骼肌肉系統的骨科手術。

這一突破是由RMIT大學工程系的生物醫學工程師Kate Fox博士和她的團隊實現的。

「現在，醫學植入物的金標準是鈦金屬，但是很多時候鈦植入物並不能夠如我們所希望的那樣，與身體很好的結合，」Fox表示。

「為了解決這個問題，我們使用了3D的人造金剛石支架，以提供一種能夠讓常見的哺乳動物細胞粘附的表面塗層。我們使用爆炸納米金剛石來製造比鈦粉便宜的塗層。」

這種塗層不但能夠提供更好的細胞粘附性，還能夠促進哺乳動物細胞的增殖。鑽石提升了生物體內的骨骼與植入物間的整合，在一段時間裡降低了細菌的附著。

「我們的鑽石塗層不但能夠使得3D列印的植入物有更好的生物相容性，並且可以改善它們的佩戴和抗性。這是一種超級生物材料。」研究發表在了《ACS Applied Materials and Interfaces》上。這使得RMIT先進位造區在近期對關於3D列印鈦支架的進展有所突破。

這種包被在墨爾本納米製造中心通過微波等離子體過程實現。鈦支架同人造金剛石共同打造出了這種複合生物材料。

Fox表示，這種技術應用於患者還需要幾年的時間，但是我們完成了最初的關鍵一步。

參與了相關研究的Aaqil Rifai博士表示，鑽石非常有效，因為碳本身就是人體的主要構成元素。

「碳具有難以置信的生物相容性，」Rifai說。「我們的身體很容易接受並將鑽石作為複合材料界面的平台。」

除了骨科外，金剛石還被用於血管支架，有助於保持心臟動脈的開放性，以及關節、仿生學和假肢。

對於現在而言，研究人員正在集中研究這些技術如何應用於骨科。

「3D列印是當今時代的一場突破性的革命。通過3D列印，我們可以設計出病人特定的醫學等級植入物。該技術快速、準確、可靠，節省了勞動時間。3D列印的可擴展性正在迅速發展，所以我們可以預見，在不久的將來，在整形外科領域，金剛石塗層將會變得很普遍。」Rifai表示。

納米材料間「拉鏈」性能首獲系統認知

記者從上海交通大學了解到，最近一期微納米研究領域的國際標誌性刊物《納米尺度》（Nanoscale）上，發表了該校李寅峰教授課題組有關二維納米材料晶界的最新研究成果，系統揭示了石墨烯和氮化硼面內雜化結構中晶界的力學、熱學特性和機理。

二維納米材料具有傳統材料無法企及的優異物理化學性能，其性能調控是材料學科和力學學科共同關注的熱點。將不同二維納米材料通過面內拼接形成平面異質結構，已被證明是一種行之有效的性能調控手段，能夠滿足實際運用中對於微納米器件性能的特定要求。

石墨烯和六方氮化硼是典型的兩種具有六邊形結構的二維材料，二者晶格常數接近，但在某些性能上具有明顯差異，因此是實現性能調控的平面異質結構的理想組分。比如，石墨烯是帶寬為零的良導體，而六方氮化硼具有顯著帶寬能力，通過調整平面碳硼氮異質結構中石墨烯和六方氮化硼的組分比例，可以控制整體材料的電學屬性，對微納米電路元器件的設計製造具有重要意義。理論研究證明，平面異質結構中，碳硼氮雜化晶界的原子結構呈現一種特殊的非對稱最優化排布方式，其相關性能卻尚未見諸報道。

李寅峰接受科技日報記者採訪時解釋道：「晶界類似於衣服拉鏈，把兩個不同取向的材料拼接在一起，拉鏈是整體材料的薄弱環節，且它的特性會決定材料的整體性能。」

中科院力學所副所長、國家傑出青年基金獲得者魏宇傑教授評價認為：「這一工作揭示的晶界偏轉角度與異質界面的力學性能之間的關係及其熱傳遞過程中的非對稱效應，對於了解異質界面對整體結構性能的影響及其後續工程應用具有重要意義，並對類似結構的分析方法提供了很好的思路。」

日本大學成功開發出10微米厚的高品質單晶硅

東京理工大學和早稻田大學的一個研究小組已經成功的製造出高質量的薄膜單晶硅，其晶體缺陷密度降低到了硅晶圓級，其增長率是以前的十倍以上。從理論上說，這種方法可以使原料的產量提高到幾乎百分之百。因此，我們預期這項技術可以使硅晶體的生產成本大幅度的降低，同時保證單晶硅太陽能電池的發電效率。

將太陽能轉化為電能是解決二氧化碳排放導致全球變暖的有效方法。太陽能發電系統的核心是單晶硅太陽能電池，使單晶硅太陽能電池變薄，就有可能大大的降低佔據模塊成本的40%左右的原材料的成本。也使得單晶硅更加靈活輕便並提高其使用率和降低成本。

此外，作為一種降低成本的方法，太陽能電池採用雙孔硅層(DPSL)的薄膜單晶硅引起了人們的關注。單晶硅太陽能電池領域存在的挑戰有：1、在硅層片之間形成高質量的薄膜硅。2、實現可以輕易剝離的多孔結構(剝離)。3、改善生長率和硅原材料產量。4、剝離後沒有任何浪費，可以繼續使用模板。

為了克服這些挑戰，有必要了解並確定多孔硅上生長的薄膜晶體質量的主要因素，並且開發出一種控制這些材料的技術。

由東京理工大學的Manabu Ihara教授和Kei Hasegawa副教授以及早稻田大學的Suguru Noda博士組成的聯合研究小組，已經開發出了一種厚度約為10微米的高品質的單晶硅，將晶體缺陷密度降低到了硅晶圓級，其生長率比以前高出10倍。首先，用電化學技術在單晶矽片表面生成納米級多孔硅。其次，通過獨特的區域加熱再結晶方法(ZHR)將表面平滑到0.2~0.3納米，並且利用該基體高速生長獲得具有高結晶質量的單晶薄膜。採用雙層多孔硅層可以很容易的剝離薄膜，基底可以作為薄膜生長的蒸發源使用或者利用，從而大大的降低了材料的損耗。通過改變ZHR方法的條件，降低了底層襯底表面的粗糙度，降低了薄膜晶體的缺陷密度，最終成功地將其降低到矽片的1/10水平。這定量的表明，表面粗糙範圍只有0.1~0.2納米(原子水平的幾層)對晶體缺陷的形成有著重要的影響，這也是晶體生長機制的一個有意思的地方。

從硅源到薄膜硅的成膜速率和轉換速率是生產薄膜單晶硅的瓶頸。化學氣相沉積法(CVD)主要用於外延生長，最大的成膜率為每小時幾微米，產率約為10%。在早稻田大學Noda的實驗室中，通過在大於2000℃的溫度下蒸發原料Si，而不是常規的物理氣相沉積（PVD）（原料Si在其熔點約為1414℃的溫度下蒸發），快速蒸發方法（RVD）是能夠以10μm/ min沉積Si的高Si蒸氣壓開發的。研究人員發現，ZHR技術解決了技術性問題，大大的降低了剝離過程中的製造成本。

根據這項研究的結果，團隊不僅發現了提高晶體質量的主要因素，在多孔硅的快速生長過程中，研究人員成功的控制住了生長速率。該結果發表在英國皇家化學學會（RSC）期刊CrystEngComm上面，並且會出現在這個期刊的內部封面上。

工磨具行業知名品牌推薦

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！