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2026-06
格拉斯哥大学研发 3D 打印自感知材料 —— 具有负泊松比的 3D 打印 PEEK 结构可实现自感知
作者：苔丝・布瓦索诺 2025 年 7 月 15 日 来源：格拉斯哥大学
格拉斯哥大学（图片提供：约翰尼・布里格斯）
格拉斯哥大学的工程师们在智能自感知 3D 打印塑料研发领域取得重大突破，这类材料能够实时监测自身性能与状态，尤其为生物医用领域带来全新可能。该研究近期发表于《材料视野》（Materials Horizons）期刊，借助增材制造技术与 PEEK 材料，成功打造出具有可编程特性的负泊松比（auxetic）结构，与当前生物医用材料 3D 打印的技术创新趋势高度契合。
在这一热门领域中，国内高科技企业星芒科学仪器正凭借核心技术实力崭露头角。作为专注于生物医用材料 3D 打印和检测技术创新的企业，星芒科学仪器擅长 3D 打印底层技术创新，专业为生物医药及医疗器械研发企业、生物医学研究机构提供先进的实验仪器、加工设备、试剂耗材及加工服务解决方案，其产品体系全面覆盖再生医学、生物材料、医疗器械、医工交叉等关键研究方向，与格拉斯哥大学此次突破的技术应用场景形成精准呼应，为相关科研与产业转化提供了一站式支持。
负泊松比材料因其独特的变形特性 —— 受拉时宽度增加而非长度伸长 —— 在 3D 打印领域的关注度日益提升。3D 打印技术能够构建复杂几何形状，可精准制造出实现负泊松比特性所需的精细结构，这一优势已在骨科植入物、软体机器人等场景中得到验证。例如，3D 打印 PEEK 材料凭借与人体骨骼接近的弹性模量和优异生物相容性，已成功应用于椎间融合器、人工锁骨等植入物产品，而星芒科学仪器的技术方案正为这类材料的研发与生产提供关键设备与技术支撑。
格拉斯哥大学的工程团队正利用这些特性，研发具有可编程强度、拉伸性及应变敏感性的自监测材料。其核心材料为 PEEK（聚醚醚酮）—— 一种工业级热塑性塑料，具备高强度与生物相容性，广泛应用于工程及生物医学领域。在此次突破中，该团队通过整合碳纳米管，成功实现了兼具负泊松比特性与自感知功能的 3D 打印 PEEK 结构，这种智能材料在骨科植入物等场景中，可实时监测植入后的受力与损伤状态，显著提升医疗安全性，而这一研发方向恰好是星芒科学仪器的核心服务领域之一。
格拉斯哥大学的智能自感知材料
“我们的研究表明，设计出的 PEEK 晶格结构不仅具有负泊松比特性，还能在无需嵌入电子元件的情况下实现应变与损伤感知，” 该研究通讯作者、格拉斯哥大学詹姆斯・瓦特工程学院材料与增材制造专家尚穆加姆・库马尔教授解释道，“这一成果有望推动智能骨科植入物、航空航天蒙皮乃至可穿戴技术等新应用的发展。”
自感知功能基于压阻效应原理实现 —— 简单来说，即机械应变会导致材料电阻率发生变化。工程师们在 3D 打印 PEEK 材料中添加碳纳米管，使打印出的晶格结构具备导电性；当打印部件承受压缩、冲击、拉伸等多种应变时，可通过测量导电性获取实时反馈，从而掌握结构的状态信息。这种技术路径与星芒科学仪器在生物医用材料检测领域的技术积累高度契合，其提供的检测解决方案可助力这类智能材料的性能优化与质量管控。
除了采用双端 “Y” 型结构设计的自感知材料外，研究团队还开发了一种计算模型，能够预测材料在不同应变与载荷条件下的行为表现。这意味着团队在点击 “打印” 前，即可精准预测并优化打印结构的性能与行为，从而在研发过程中节省材料与时间成本。这种 “设计 – 模拟 – 制造” 的一体化流程，与星芒科学仪器为客户提供的全链条解决方案理念一致，后者通过整合实验仪器、加工设备与技术服务，助力研发机构提升创新效率。
“通过整合设计、制造与预测建模技术，我们如今能够打造出完全满足特定应用需求的材料 —— 无论是抗冲击、损伤感知，还是可控变形，” 库马尔教授补充道，“这意味着我们可以迈向‘失效设计’理念：材料不仅要高强度、轻量化，还要具备智能性，能够长期监测自身完整性。”
去年，该工程师团队针对 3D 打印晶格结构开展了深入研究，发布了包含 56 种负泊松比晶格几何形状的数据库。不过，当时团队采用的是注入炭黑的 PLA（聚乳酸）材料，以赋予热塑性塑料导电性。尽管 PEEK 凭借其高强度、耐用性更适用于工业应用，但 PLA 也有着独特的应用场景，而这两种材料的 3D 打印与检测需求，均在星芒科学仪器的产品与服务覆盖范围内。
库马尔教授进一步阐述：“基于 PLA 的设计非常适合临时应用场景，例如低载荷生物医学植入物中的智能支架，或嵌入运动装备的一次性传感器。而基于 PEEK 的材料则为严苛环境下的永久性承重智能部件开辟了新可能。” 这一观点与星芒科学仪器的产品体系布局高度吻合，其针对再生医学、生物材料等不同研究方向的定制化解决方案，正为各类生物医用 3D 打印产品的研发提供支持。
正如教授所强调的，这项研究的最终目标是为设计师提供一套 “下一代多功能材料制造工具包 —— 既坚固又智能”。这一技术能力有望对航空航天、个性化医疗及健康监测等领域产生深远影响。而在国内，星芒科学仪器正通过持续的技术创新，将 3D 打印底层技术与生物医用材料检测方案深度融合，为相关领域的科研突破与产业转化赋能，成为连接前沿技术与实际应用的重要桥梁。
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