基于3D打印压电元件驱动的超声换能器的高能量输出应用

压电材料能够将机械能转换为电能，亦能将电能转换为机械能，目前已被广泛用于传感、执行、能量采集、清洗以及超声成像等应用。近来，随着新型结构设计和计算的兴起，预计将3D微特征结合到压电材料中有望提供前所未有的特性或功能，包括各向异性设计、定制化发射、局部超声场，以及用于微型机器人的传感器和执行器等。

由于压电陶瓷的脆性，这些结构的制造要么依赖于传统的机械加工方法（包括蚀刻、切割和热压等），要么局限于包含压电纳米颗粒和聚合物基质的3D打印复合材料。机械加工过程引起的机械应力会导致晶粒拔出、强度降低以及去极化，从而导致制造元件的压电性能显著退化。

因此，具有这些结构的压电材料相比原始陶瓷材料的压电系数低得多，并且在用作超声换能器时发射声压也弱。对于需要小尺寸、高发射声压和局部能量输出的应用，打印具有精确微尺度特征、自由形状和高压电响应（能够进行声聚焦、阻抗匹配并用作背衬层）的压电陶瓷换能器是非常理想的，有望实现很多新的应用，包括原位成像、超声细胞调节、血管内溶栓、血脑屏障破坏、神经调控以及通过空化现象增强药物输送等。

解决该挑战的途径之一是采用精密增材制造（AM）工艺，例如基于光的立体光刻（SLA）方法或双光子光刻以及印刷部件的后处理（烧结）。在SLA工艺中，压电纳米颗粒可与光敏单体混合形成复合胶体用于UV固化，以逐层方式构建3D复合元件。

高颗粒负载复合胶体的粘度使得打印均匀层变得困难，并且颗粒的光散射效应会导致打印特征尺寸变宽，使打印精确特征具有挑战性。为了生成致密的压电陶瓷，在高温下烧结所制备的复合材料，以烧掉聚合物基体并重新生长陶瓷晶粒。

尽管铌酸钠钾（KNN）和钛酸钡（BTO）等压电陶瓷最常用于3D打印，但由于在高温烧结过程中发生的铅蒸发，具有高压电常数和经济性的铅基压电陶瓷的打印仍然难以掌控，这抑制了烧结元件的功能性能。此外，传统的烧结工艺在3D打印元件中会引起变形、裂纹和高孔隙率，从而导致机械和压电性能的下降。

据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究人员提出了一种基于SLA的增材制造方法，该方法具有优化的后烧结工艺，可用于打印具有微尺度特征和高压电响应的致密锆钛酸铅（PZT）元件和封装后的换能器。该研究成果已发表于近期的Nature Communications。

其工艺从高分辨率投影显微立体光刻（PμSL）开始，结合流延成型重涂工艺，以确保精确控制生坯零件的特性。受液相烧结（LPS）技术（在烧结过程中应用烧结添加剂液相，以促进晶粒生长并改善陶瓷的烧结行为）的启发，研究人员引入了一种与基于SLA的3D打印PZT样品兼容的液相烧结方法，以及一种液体密封方法，以抑制高温下的铅蒸发，从而降低烧结元件的孔隙率和铅损失。所制造的PZT元件实现了高达583 pC/N的压电电荷常数和机电耦合因子，相当于原始材料的92.5%，优于目前可打印的压电材料。

除了活性材料，研究人员还开发了可打印封装材料托盘，包括背衬层、阻抗匹配层和具有大范围可定制阻抗和衰减系数的物理外壳，以确保目标应用的最佳性能。为了验证该方案的应用，研究人员打印了一种具有微聚焦功能的微型超声换能器，能够在直径低至2.5 mm的血管中产生高局部声压 ，从而实现局部空化触发、增强药物输送和超声调节细胞活动。这种可3D打印的微尺度特征以及打印压电陶瓷材料的高压电性能，将推动3D打印换能器的新应用实现跨越式发展。

微型超声换能器设计，高负载PZT复合材料的3D打印和液相烧结

PZT自由形式制造，以及所制造压电元件的压电性能

研究人员发现，这种3D打印的在9.75 MHz下工作的微型超声换能器，产生的声压曲线超过了许多医学阈值。这一发现凸显了这些器件在医疗应用中的潜力。

除了有源压电元件，研究人员还构建了可打印的封装材料托盘，由背衬层和阻抗匹配层以及物理外壳材料组成，可在很宽的范围内定制阻抗和衰减系数，从而使超声换能器适应不同需求的应用。

所制造的微型超声换能器的封装设计和声能输出特性

研究人员利用微型有源元件和封装材料完全打印了一款微型超声换能器。所构建的器件面向医疗应用，能够在小血管中产生高局部声压，以实现局部空化现象、增强药物输送和细胞活动的超声调节。

本研究报道的处理方法实现了由3D打印压电元件驱动的超声换能器的高能量输出应用。其微结构效果的优化，以及可调的匹配和背衬层特性，可将高声压限制在亚平方毫米以内。除了药物输送，局部声能输出还可以实现血管内溶栓、原位成像、神经调控、超声控制和肿瘤学等应用。