RMIT研究人员开创3D打印金刚石-钛复合材料，有望成为医疗植入物的“最佳伴侣”

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2025年9月29日，来自皇家墨尔本理工大学和悉尼大学的研究人员开发出一种新型3D打印金刚石-钛复合材料，可以改变医疗植入物在体内的供电和监控方式。相关研究以题为“Additively Manufactured Diamond forEnergy Scavenging and Wireless Power Transfer in Implantable Devices”的论文发表在《先进功能材料》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508766

这项研究引入了一种3D打印的金刚石-钛复合材料，兼具机械强度和电子活性。项目由皇家墨尔本理工大学副教授凯特·福克斯博士领导，展示了植入物最终如何利用自然体液流动产生能量或以无线方式接收电能，从而减少对传统电池的需求。

钛因其强度和生物相容性而广泛应用于外科手术，而金刚石则具有硬度、稳定性和相容性，但一直难以应用于医疗器械。研究团队利用高功率激光熔合30:70的金刚石-钛混合物，创造出一种兼具钛的弹性和金刚石电化学特性的复合材料。皇家墨尔本理工大学工程学院高级首席研究员阿曼·阿努德博士表示：“钻石将钛从被动的结构性植入材料转变为主动的多功能平台，可以收集能量、感知流动并接收无线电源，同时保持生物相容性和强度。 ”

△皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 增材制造中心研发钻石钛合金植入式装置的团队：（从左至右）PeterSherrell 博士、Arman Ahnood 博士、KateFox 教授和博士研究员 Joshua Zarins。图片来自皇家墨尔本理工大学 Shu Shu Zheng。

金刚石涂层增强植入物的生物相容性

这一最新进展建立在皇家墨尔本理工大学（RMIT）早期研究的基础上，研究探索了利用金刚石来改善钛植入物的性能。2018年，福克斯博士和她的同事证明，用纳米金刚石涂覆3D打印钛可以显著提高生物相容性。

这种涂层能够促进哺乳动物细胞更有效地附着，支持骨矿物质沉积，并减少细菌生长。研究人员认为，金刚石可以帮助克服植入技术面临的最大挑战之一：免疫系统对外来物质的天然抵抗力。福克斯团队证明，人体“依靠钻石”作为细胞生长的平台，使其成为用于骨骼整合植入物的理想材料。他们采用化学气相沉积技术，将钻石涂层涂覆到选择性激光熔化打印的空心钛立方体上。这项研究表明，钻石涂层可以增强活骨与人工植入物之间的界面，同时提高耐磨性。

福克斯和她的同事重点介绍了3D打印在颅面植入物、骨螺钉和骨板方面的应用，并指出3D打印能够实现患者专属的几何形状。这项研究为将钛的强度与金刚石的生物相容性相结合奠定了基础，为进一步的发展奠定了基础。

△本工作中关键步骤的示意图。a) 激光束引导能量沉积金刚石和钛合金基质以创建 3D 结构。b) 利用金刚石钛合金的宏观特性将电力无线传输到皮下植入物。c) 利用金刚石钛合金的纳米级特性从流经表面的生理盐水中获取能量。

混合材料兼具强度和能量功能

在这项新研究中，研究团队突破了涂层技术的限制，通过激光金属沉积技术制造出块状金刚石-钛合金复合材料。他们使用通快TruLaser Cell 7020 系统，制造出金刚石直接嵌入钛基体的结构。分析表明，复合材料结构完好，约50%的轨道宽度无空隙，金刚石颗粒均匀嵌入钛层中。材料表面含有高浓度的氧化钛，这可能有助于提高稳定性，并且比本体表现出更多的类金刚石键合。此外，还检测到了部分石墨化，这给材料的长期电子性能带来了疑问。

在模拟生物测试中，生理盐水以5毫升/秒的速度流过材料表面，与冠状动脉血流速度相当，通过摩擦起电效应产生了可测量的电荷。这些电荷可以通过无线方式检测到，这表明体液未来可以为超低能耗植入物提供动力，同时还能使该材料充当流量传感器。

研究团队还演示了无线电力传输。金刚石钛电极通过电容耦合，以20 MHz的频率和0.5 W的功率，为5毫米厚的组织层上的发光二极管供电。印刷线圈谐振频率为825 MHz，品质因数为118，当以1.14GHz的频率和0.4 W的功率驱动时，组织温度上升了3°C，这表明材料具有热疗或靶向药物释放的潜力。

综上所述，这些结果凸显了如何将结构弹性和电子功能集成到单一材料中。传统的植入物需要单独的组件来提供强度、传感器和无线天线，而这种金刚石-钛复合材料将这些功能整合到一个可根据患者定制的3D打印结构中。