壓電材料能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，亦能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，目前已被廣泛用于傳感、執(zhí)行、能量采集、清洗以及超聲成像等應(yīng)用。近來，隨著新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的興起，預(yù)計(jì)將3D微特征結(jié)合到壓電材料中有望提供前所未有的特性或功能，包括各向異性設(shè)計(jì)、定制化發(fā)射、局部超聲場(chǎng)，以及用于微型機(jī)器人的傳感器和執(zhí)行器等。

由于壓電陶瓷的脆性，這些結(jié)構(gòu)的制造要么依賴于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法（包括蝕刻、切割和熱壓等），要么局限于包含壓電納米顆粒和聚合物基質(zhì)的3D打印復(fù)合材料。機(jī)械加工過程引起的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶粒拔出、強(qiáng)度降低以及去極化，從而導(dǎo)致制造元件的壓電性能顯著退化。

(資料圖片)

因此，具有這些結(jié)構(gòu)的壓電材料相比原始陶瓷材料的壓電系數(shù)低得多，并且在用作超聲換能器時(shí)發(fā)射聲壓也弱。對(duì)于需要小尺寸、高發(fā)射聲壓和局部能量輸出的應(yīng)用，打印具有精確微尺度特征、自由形狀和高壓電響應(yīng)（能夠進(jìn)行聲聚焦、阻抗匹配并用作背襯層）的壓電陶瓷換能器是非常理想的，有望實(shí)現(xiàn)很多新的應(yīng)用，包括原位成像、超聲細(xì)胞調(diào)節(jié)、血管內(nèi)溶栓、血腦屏障破壞、神經(jīng)調(diào)控以及通過空化現(xiàn)象增強(qiáng)藥物輸送等。

解決該挑戰(zhàn)的途徑之一是采用精密增材制造（AM）工藝，例如基于光的立體光刻（SLA）方法或雙光子光刻以及印刷部件的后處理（燒結(jié)）。在SLA工藝中，壓電納米顆?？膳c光敏單體混合形成復(fù)合膠體用于UV固化，以逐層方式構(gòu)建3D復(fù)合元件。

高顆粒負(fù)載復(fù)合膠體的粘度使得打印均勻?qū)幼兊美щy，并且顆粒的光散射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致打印特征尺寸變寬，使打印精確特征具有挑戰(zhàn)性。為了生成致密的壓電陶瓷，在高溫下燒結(jié)所制備的復(fù)合材料，以燒掉聚合物基體并重新生長(zhǎng)陶瓷晶粒。

盡管鈮酸鈉鉀（KNN）和鈦酸鋇（BTO）等壓電陶瓷最常用于3D打印，但由于在高溫?zé)Y(jié)過程中發(fā)生的鉛蒸發(fā)，具有高壓電常數(shù)和經(jīng)濟(jì)性的鉛基壓電陶瓷的打印仍然難以掌控，這抑制了燒結(jié)元件的功能性能。此外，傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝在3D打印元件中會(huì)引起變形、裂紋和高孔隙率，從而導(dǎo)致機(jī)械和壓電性能的下降。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系的研究人員提出了一種基于SLA的增材制造方法，該方法具有優(yōu)化的后燒結(jié)工藝，可用于打印具有微尺度特征和高壓電響應(yīng)的致密鋯鈦酸鉛（PZT）元件和封裝后的換能器。該研究成果已發(fā)表于近期的Nature Communications。

其工藝從高分辨率投影顯微立體光刻（PμSL）開始，結(jié)合流延成型重涂工藝，以確保精確控制生坯零件的特性。受液相燒結(jié)（LPS）技術(shù)（在燒結(jié)過程中應(yīng)用燒結(jié)添加劑液相，以促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)并改善陶瓷的燒結(jié)行為）的啟發(fā)，研究人員引入了一種與基于SLA的3D打印PZT樣品兼容的液相燒結(jié)方法，以及一種液體密封方法，以抑制高溫下的鉛蒸發(fā)，從而降低燒結(jié)元件的孔隙率和鉛損失。所制造的PZT元件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)583 pC/N的壓電電荷常數(shù)和機(jī)電耦合因子，相當(dāng)于原始材料的92.5%，優(yōu)于目前可打印的壓電材料。

除了活性材料，研究人員還開發(fā)了可打印封裝材料托盤，包括背襯層、阻抗匹配層和具有大范圍可定制阻抗和衰減系數(shù)的物理外殼，以確保目標(biāo)應(yīng)用的最佳性能。為了驗(yàn)證該方案的應(yīng)用，研究人員打印了一種具有微聚焦功能的微型超聲換能器，能夠在直徑低至2.5 mm的血管中產(chǎn)生高局部聲壓?，從而實(shí)現(xiàn)局部空化觸發(fā)、增強(qiáng)藥物輸送和超聲調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)。這種可3D打印的微尺度特征以及打印壓電陶瓷材料的高壓電性能，將推動(dòng)3D打印換能器的新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

微型超聲換能器設(shè)計(jì)，高負(fù)載PZT復(fù)合材料的3D打印和液相燒結(jié)

PZT自由形式制造，以及所制造壓電元件的壓電性能

研究人員發(fā)現(xiàn)，這種3D打印的在9.75 MHz下工作的微型超聲換能器，產(chǎn)生的聲壓曲線超過了許多醫(yī)學(xué)閾值。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了這些器件在醫(yī)療應(yīng)用中的潛力。

除了有源壓電元件，研究人員還構(gòu)建了可打印的封裝材料托盤，由背襯層和阻抗匹配層以及物理外殼材料組成，可在很寬的范圍內(nèi)定制阻抗和衰減系數(shù)，從而使超聲換能器適應(yīng)不同需求的應(yīng)用。

所制造的微型超聲換能器的封裝設(shè)計(jì)和聲能輸出特性

研究人員利用微型有源元件和封裝材料完全打印了一款微型超聲換能器。所構(gòu)建的器件面向醫(yī)療應(yīng)用，能夠在小血管中產(chǎn)生高局部聲壓，以實(shí)現(xiàn)局部空化現(xiàn)象、增強(qiáng)藥物輸送和細(xì)胞活動(dòng)的超聲調(diào)節(jié)。

本研究報(bào)道的處理方法實(shí)現(xiàn)了由3D打印壓電元件驅(qū)動(dòng)的超聲換能器的高能量輸出應(yīng)用。其微結(jié)構(gòu)效果的優(yōu)化，以及可調(diào)的匹配和背襯層特性，可將高聲壓限制在亞平方毫米以內(nèi)。除了藥物輸送，局部聲能輸出還可以實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)溶栓、原位成像、神經(jīng)調(diào)控、超聲控制和腫瘤學(xué)等應(yīng)用。

延伸閱讀：《電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）期刊文獻(xiàn)檢索與分析-2022版》

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