RMIT大学研发出钻石–钛3D打印复合材料，可将传统医疗植入物升级为自供能、可感应和无线供电的智能设备。该材料融合钛的高强度与钻石的生物相容性，通过激光直接将钻石嵌入钛基体，实现结构稳固且具电子功能。在模拟血流和无线测试中，材料可产生电能、感应流速，并为微型设备供电。这一创新有望延长植入物寿命，减少手术更换电池的需求，为骨科和牙科等个性化医疗植入提供全新解决方案。
来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）和悉尼大学的研究人员开发出了一种新材料，有望彻底改变体内医疗植入物的供能和监测方式。
如《Advanced Functional Materials》所述，这项研究介绍了一种3D打印的钻石–钛混合材料，兼具机械强度和电子活性。由RMIT的Kate Fox副教授领导的项目展示了植入物未来可能从人体自然流动中生成能量，或通过无线方式获取电力，从而减少对传统电池的依赖。
钛因其强度和生物相容性在手术中被广泛使用，而钻石则因其硬度、稳定性和兼容性而备受关注，但在设备中一直难以应用。通过将30:70的钻石–钛混合物与高功率激光结合，团队成功创造出一种复合材料，将钛的韧性与钻石的电化学特性融合在一起。
“钻石使钛从一种被动的结构性植入材料转变为一种主动、多功能平台——它既能采集能量、感应流动，又能无线接收电力，同时保持生物相容性和强度，”RMIT工程学院高级首席研究员Arman Ahnood博士表示。
RMIT研究团队在RMIT增材制造中心展示钻石–钛植入设备：（从左至右）Peter Sherrell博士、Arman Ahnood博士、Kate Fox教授及博士研究生Joshua Zarins。照片来源：Shu Shu Zheng，RMIT University。
钻石涂层提升植入物生物相容性
这一最新成果建立在RMIT早期研究的基础上，当时研究团队探索了利用钻石改善钛植入物性能的方法。2018年，Fox博士及其同事展示了在3D打印钛表面涂覆纳米钻石可以显著增强生物相容性。
该涂层促进了哺乳动物细胞的附着，支持骨矿物沉积，并抑制细菌生长。研究人员认为，钻石有助于克服植入技术中的一个最大挑战：免疫系统对外来材料的自然排斥。
Fox团队表明，人体“在钻石平台上茁壮成长”，使其成为与骨骼整合的植入物的理想材料。其工艺通过化学气相沉积（CVD）在选择性激光熔融打印的空心钛立方体上施加钻石层。研究显示，钻石涂层不仅能增强活体骨骼与人工植入物之间的界面，还能提高耐磨性。
Fox及其同事强调了在颅面植入物、骨螺钉和钢板中的应用，并指出3D打印可实现患者定制的几何形状。这项研究为将钛的强度与钻石的生物相容性结合奠定了基础，为进一步进展铺平了道路。
混合材料结合强度与能量功能
在新研究中，团队超越了涂层的概念，通过激光金属沉积创造了块体钻石–钛混合材料。使用TRUMPF TruLaser Cell 7020系统，他们制造了钻石直接嵌入钛基体的结构。
分析显示，该材料结构稳固，约50%的轨迹宽度无空隙，钻石颗粒均匀分布在钛中。表面含有高含量的氧化钛，有助于稳定性，并表现出比块体更多的类钻石键合。部分石墨化现象也被检测到，为长期电子性能留下了疑问。
在模拟生物测试中，流速为5毫升/秒的生理盐水流经表面（相当于冠状动脉血流）时，通过摩擦电效应产生了可测量的电荷。这些电荷可被无线检测，显示体液未来有可能为超低功耗植入物供能，同时使材料充当流量传感器。
团队还展示了无线能量传输。钻石–钛电极可通过电容耦合在5毫米组织层穿透下为发光二极管供电（20 MHz，0.5 W）。打印线圈在825 MHz时共振，品质因数为118；在1.14 GHz、0.4 W驱动下，组织温度上升3°C，表明该技术在热疗或靶向药物释放中具有潜力。
这些结果共同显示，结构强度与电子功能可以整合于单一材料中。传统植入物通常需要分别设计强度组件、传感器和无线天线，而钻石–钛混合材料在一个3D打印结构中实现了这些功能，并可为患者定制。
3D打印钻石–钛线圈。照片来源：RMIT University。
研究人员强调，该工作仍处于早期阶段。输出功率有限，长期测试需要了解混合材料与组织的整合情况，以及局部加热在真实生物系统中的安全性。尽管如此，研究结果表明，3D打印钻石复合材料既可作为坚固的植入物材料，又可作为电子系统。
随着进一步发展，该技术有望减少手术更换电池的需求，延长植入物寿命，并实现同时提供机械支撑、感应和响应体内变化的智能设备。
