Graphene nanoplatelets as economical alternative in the reinforcement of PMMA bone cements

Abstract

El uso de G y GO cómo agentes de refuerzo ha atraído un interés considerable durante las últimas décadas, dando lugar a nanocomposites avanzados con propiedades mecánicas mejoradas. En estudios anteriores, se demostró que la incorporación de grafeno (G) y óxido de grafeno (GO) bien dispersos en los cementos óseos acrílicos puede ser una solución prometedora para aumentar su rendimiento mecánico en un intento de mejorar la supervivencia a largo plazo de los implantes ortopédicos cementados. Una de las limitaciones más importantes en la producción a gran escala de aplicaciones en las que se utilizan nanocompuesto base carbono, es que la producción industrial de G y GO está actualmente limitada por dos aspectos principales: la escalabilidad del proceso de producción química y el coste. En consecuencia, han surgido una amplia variedad de derivados del grafeno más baratos y fáciles de producir, como es el caso de las nanoplaquetas de grafeno (GnP). Las GnP exhiben propiedades interesantes como peso ligero, alta relación de aspecto, conductividad eléctrica y térmica, tenacidad mecánica, bajo costo y estructura plana. Por lo tanto, son una atractiva alternativa para reemplazar el uso de G y GO. Estas GnP pueden incluirse fácilmente y con éxito en matrices poliméricas mediante la combinación de disolventes o fundidos. Las GnP son más baratas que el G y GO; y son comparables en cuanto al efecto sobre las propiedades mecánicas de los polímeros. El objetivo de este estudio es realizar una comparación del efecto que tiene la adición de GnP sobre el comportamiento mecánico de los cementos óseos, frente al uso de otras nanopartículas en base de carbono como G y GO.

The reinforcing effect of G and GO has attracted considerable interest during recent decades, giving rise to advanced nanocomposites with enhanced mechanical properties. In previous studies, it was demonstrated that the incorporation of well-dispersed Graphene (G) and Graphene oxide (GO) powder can be a promising solution in augmenting the mechanical performance of PMMA bone cement in an attempt to enhance the long-term survival of the cemented orthopaedic implants. One of the most important constraints in the large-scale production of nanocomposite applications is that the industrial production of G and GO is currently limited by two main aspect: the scalability of the chemical production process and the cost. A wide variety of cheaper and easier-to-produce graphene derivatives have emerged as is the case of graphene nanoplatelets (GnPs). GnPs exhibit exciting properties such as light weight, high aspect ratio, electrical and thermal conductivity, mechanical toughness, low cost, and planar structure. As such, they are attractive options to replace different nanostructured fillers. They are appealing for nanocomposites since they can easily and successfully be included in polymeric matrices by solvent or melt compounding. GnPs are cheaper than G and GO; and are comparable in modifying the mechanical properties of polymers. The objective of this study is to make a comparison of the effect that the addition of GnPs has on the mechanical performance of bone cements, compared to the use of other carbon-based nanoparticles such as G and GO.