金刚石基植入体新突破！Adv. Funct. Mater. 报道首例增材制造固态摩擦电能量收集器

引言

想象一下，未来植入你体内的医疗设备，无需更换电池，靠血液流动就能自发电，还能无线接收能量进行精准治疗。这并非科幻小说，而是澳大利亚科学家用3D打印金刚石技术实现的突破性进展。 

近日，由澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）和悉尼大学组成的联合团队，在顶尖材料学期刊《Advanced Functional Materials》上发表重磅研究。他们创新性地利用激光3D打印技术，将金刚石微粒嵌入钛合金（Ti-6Al-4V）基体中，制造出一种前所未有的“金刚石-钛合金”多功能复合材料。

核心内容

这项研究的革命性在于，这种3D打印的“金刚石-钛”材料同时解决了植入式医疗设备三大核心难题： 

1.结构支撑与生物相容性：在宏观尺度上，材料具备优异的机械强度（媲美传统金属植入物）和生物相容性，能通过3D打印定制成复杂、个性化的几何形状（如骨骼替代物），完美贴合人体组织，并促进骨整合。

2.纳米发电：从生理流中“薅能量”：在纳米尺度上，研究首次利用固-液摩擦电效应。当生理盐水（模拟血液、尿液等体液）流经材料表面时，液固界面发生电荷分离，产生电流！实验成功演示了利用模拟冠状动脉血流的脉动盐水（5mL/s）发电，并能感知流速变化（图6,7）。这意味着，未来植入设备可利用人体自身的体液流动（如血液、脑脊液）持续获取微量能量，为低功耗传感器供电。

3.无线能量传输：“金刚石天线”问世：在宏观尺度上，团队用该材料3D打印出线圈和电极结构，成功实现了两种无线供能方式：

  电容耦合：像“隔空充电”一样，成功点亮了置于5mm厚组织模型下的LED灯（图8）。

  电感耦合：利用材料制成的接收线圈，在1.14GHz频率下无线接收能量，并在组织模型中诱导出局部可控温升（约3°C）（图10）。这为未来应用如触发药物释放或热疗提供了可能。

  特别关键的是，这些线圈/天线本身就是植入体结构的一部分，无需额外封装保护，兼具高强度与功能。

重大意义

这项研究的价值远超材料本身，它为植入式医疗设备提供了“功能集成+长效耐用”的一站式解决方案：  

 续航革命：纳米级能量收集利用体液流动自给能，搭配无线传能，解决传统设备依赖电池的痛点；  

 耐用升级：材料自带强韧性，无需额外封装，避免传统金属天线易损坏的问题，适合长期植入；  

 个性化医疗落地：3D打印支持术中实时制造，根据患者需求定制形状和功能，提升治疗精准度；  

 功能拓展无限：除供电和传感外，局部加热、电刺激等功能可集成，未来有望用于神经调控、肿瘤热疗等场景。

结语

研究团队指出，虽然成果振奋人心，但材料的长期电学、机械性能和成骨性能仍需进一步评估和优化。尽管如此，这项技术为下一代“活性智能植入物”开辟了清晰的道路。未来，我们或许将迎来由人体自身供能、可无线调控、为患者量身定制的“金刚石器官”，真正实现个性化精准医疗的飞跃。

图1：技术路线示意图

图2：材料微观结构

图3：金刚石-钛合金表面化学：钛的状态揭秘

图4：金刚石-钛合金中的碳：sp³金刚石 VS sp²石墨

图5：拉曼光谱验证

图6：生理流发电性能

图7：无线流场传感

图8：电容无线传能

图9：电感耦合传能

图10：无线热疗演示

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