RMIT研究人員開創(chuàng)3D打印金剛石-鈦復(fù)合材料，有望成為醫(yī)療植入物的“最佳伴侶”

2025年9月29日，南極熊獲悉，來自皇家墨爾本理工大學(xué)和悉尼大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型3D打印金剛石-鈦復(fù)合材料，可以改變醫(yī)療植入物在體內(nèi)的供電和監(jiān)控方式。

相關(guān)研究以題為“Additively Manufactured Diamond forEnergy Scavenging and Wireless Power Transfer in Implantable Devices”的論文發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508766

這項(xiàng)研究引入了一種3D打印的金剛石-鈦復(fù)合材料，兼具機(jī)械強(qiáng)度和電子活性。項(xiàng)目由皇家墨爾本理工大學(xué)副教授凱特·福克斯博士領(lǐng)導(dǎo)，展示了植入物最終如何利用自然體液流動(dòng)產(chǎn)生能量或以無線方式接收電能，從而減少對傳統(tǒng)電池的需求。

鈦因其強(qiáng)度和生物相容性而廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)，而金剛石則具有硬度、穩(wěn)定性和相容性，但一直難以應(yīng)用于醫(yī)療器械。研究團(tuán)隊(duì)利用高功率激光熔合30:70的金剛石-鈦混合物，創(chuàng)造出一種兼具鈦的彈性和金剛石電化學(xué)特性的復(fù)合材料。

皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院高級首席研究員阿曼·阿努德博士表示：“鉆石將鈦從被動(dòng)的結(jié)構(gòu)性植入材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的多功能平臺(tái)，可以收集能量、感知流動(dòng)并接收無線電源，同時(shí)保持生物相容性和強(qiáng)度。 ”

△皇家墨爾本理工大學(xué) (RMIT) 增材制造中心研發(fā)鉆石鈦合金植入式裝置的團(tuán)隊(duì)：（從左至右）PeterSherrell 博士、Arman Ahnood 博士、KateFox 教授和博士研究員 Joshua Zarins。圖片來自皇家墨爾本理工大學(xué) Shu Shu Zheng。

金剛石涂層增強(qiáng)植入物的生物相容性

這一最新進(jìn)展建立在皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）早期研究的基礎(chǔ)上，研究探索了利用金剛石來改善鈦植入物的性能。2018年，?？怂共┦亢退耐伦C明，用納米金剛石涂覆3D打印鈦可以顯著提高生物相容性。

這種涂層能夠促進(jìn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞更有效地附著，支持骨礦物質(zhì)沉積，并減少細(xì)菌生長。研究人員認(rèn)為，金剛石可以幫助克服植入技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一：免疫系統(tǒng)對外來物質(zhì)的天然抵抗力。

?？怂箞F(tuán)隊(duì)證明，人體“依靠鉆石”作為細(xì)胞生長的平臺(tái)，使其成為用于骨骼整合植入物的理想材料。他們采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，將鉆石涂層涂覆到選擇性激光熔化打印的空心鈦立方體上。這項(xiàng)研究表明，鉆石涂層可以增強(qiáng)活骨與人工植入物之間的界面，同時(shí)提高耐磨性。

?？怂购退耐轮攸c(diǎn)介紹了3D打印在顱面植入物、骨螺釘和骨板方面的應(yīng)用，并指出3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)患者專屬的幾何形狀。這項(xiàng)研究為將鈦的強(qiáng)度與金剛石的生物相容性相結(jié)合奠定了基礎(chǔ)，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

△本工作中關(guān)鍵步驟的示意圖。a) 激光束引導(dǎo)能量沉積金剛石和鈦合金基質(zhì)以創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)。b) 利用金剛石鈦合金的宏觀特性將電力無線傳輸?shù)狡は轮踩胛铩) 利用金剛石鈦合金的納米級特性從流經(jīng)表面的生理鹽水中獲取能量。

混合材料兼具強(qiáng)度和能量功能

在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)突破了涂層技術(shù)的限制，通過激光金屬沉積技術(shù)制造出塊狀金剛石-鈦合金復(fù)合材料。他們使用通快TruLaser Cell 7020 系統(tǒng)，制造出金剛石直接嵌入鈦基體的結(jié)構(gòu)。

分析表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完好，約50%的軌道寬度無空隙，金剛石顆粒均勻嵌入鈦層中。材料表面含有高濃度的氧化鈦，這可能有助于提高穩(wěn)定性，并且比本體表現(xiàn)出更多的類金剛石鍵合。此外，還檢測到了部分石墨化，這給材料的長期電子性能帶來了疑問。

在模擬生物測試中，生理鹽水以5毫升/秒的速度流過材料表面，與冠狀動(dòng)脈血流速度相當(dāng)，通過摩擦起電效應(yīng)產(chǎn)生了可測量的電荷。這些電荷可以通過無線方式檢測到，這表明體液未來可以為超低能耗植入物提供動(dòng)力，同時(shí)還能使該材料充當(dāng)流量傳感器。

研究團(tuán)隊(duì)還演示了無線電力傳輸。金剛石鈦電極通過電容耦合，以20 MHz的頻率和0.5 W的功率，為5毫米厚的組織層上的發(fā)光二極管供電。印刷線圈諧振頻率為825 MHz，品質(zhì)因數(shù)為118，當(dāng)以1.14GHz的頻率和0.4 W的功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，組織溫度上升了3°C，這表明材料具有熱療或靶向藥物釋放的潛力。

綜上所述，這些結(jié)果凸顯了如何將結(jié)構(gòu)彈性和電子功能集成到單一材料中。傳統(tǒng)的植入物需要單獨(dú)的組件來提供強(qiáng)度、傳感器和無線天線，而這種金剛石-鈦復(fù)合材料將這些功能整合到一個(gè)可根據(jù)患者定制的3D打印結(jié)構(gòu)中。

△3D打印金剛石鈦合金線圈。圖片來自皇家墨爾本理工大學(xué)。

研究人員強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作仍處于早期階段。功率輸出適中，需要進(jìn)行長期測試，以了解這種復(fù)合材料如何與組織結(jié)合，以及局部加熱在實(shí)際生物系統(tǒng)中是否安全。盡管如此，研究結(jié)果表明，3D打印金剛石復(fù)合材料既可以作為堅(jiān)固的植入材料，也可以作為電子系統(tǒng)。

隨著進(jìn)一步發(fā)展，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可以減少手術(shù)更換電池的需要，延長植入物的壽命，并使設(shè)備能夠提供機(jī)械支撐，同時(shí)感知和響應(yīng)身體的變化。