面向可穿戴多模态超声成像的优异无铅压电陶瓷材料与阵列研究

《Nature Communications》：Superior lead-free piezoceramics for wearable multimodal ultrasound imaging arrays

本研究针对传统含铅压电材料在生物医学应用中的毒性问题，开发了基于铌酸钾钠(KNN)的无铅压电陶瓷材料，通过两步烧结法(TSS)成功恢复了长程铁电有序(LRFO)，显著提升了压电性能(d33~630 pC N-1，k33~0.66)。基于该材料研制了64通道可穿戴超声成像阵列(LF-UIA)，实现了8.36 MHz中心频率、40%带宽的高分辨率B超、多普勒和实时剪切波弹性成像，为可穿戴超声技术提供了安全可靠的解决方案。

　　

在医疗影像技术飞速发展的今天，超声成像以其无辐射、非侵入、实时成像等优势成为临床诊断的重要工具。随着可穿戴医疗设备的兴起，开发柔性、便携的超声成像系统成为新的研究方向。然而，当前超声换能器核心材料普遍采用含铅压电陶瓷（如PZT、PMN-PT），其中的铅元素对人体和环境具有潜在危害，这严重制约了其在可穿戴设备中的长期应用。

传统含铅压电材料虽然具有优异的压电性能，但其生物安全性问题始终是悬在可穿戴医疗设备上的"达摩克利斯之剑"。特别是在需要与皮肤直接接触、长期监测的应用场景中，铅元素的潜在毒性风险不容忽视。因此，开发高性能的无铅压电材料成为推动可穿戴超声技术发展的关键突破口。

在众多无铅压电材料中，铌酸钾钠(KNN)基陶瓷因其优异的压电性能和环境友好特性而备受关注。然而，现有的KNN基陶瓷仍面临诸多挑战：压电性能通常低于600 pC N^-1，机电耦合系数较低，且存在组分敏感、烧结过程中碱金属元素易挥发等问题。这些因素导致材料性能不稳定，难以满足医用超声换能器对材料性能的苛刻要求。

针对这些挑战，四川大学吴家刚教授团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究团队通过创新的材料设计和器件构建策略，成功开发出高性能无铅压电陶瓷及其可穿戴多模态超声成像阵列。该研究不仅解决了无铅压电材料性能不足的难题，更为可穿戴超声技术的临床应用开辟了新途径。

关键技术方法包括：采用两步烧结法(TSS)制备0.96K_0.48Na_0.52Nb_0.94Sb_0.06-0.04Bi_0.5Ag_0.5ZrO₃-0.3% Fe₂O₃（KNNS-BAZ）陶瓷；通过切割填充技术制作1-3型压电复合材料；集成64通道柔性印刷电路板(F-PCB)构建线性阵列换能器；使用Verasonics Vantage系统进行多模态成像验证；通过体外细胞实验和体内大鼠模型进行生物安全性评估。

多级结构表征揭示TSS陶瓷优异性能

研究团队首先对比了传统烧结(CS)和两步烧结(TSS)制备的陶瓷材料。TSS陶瓷展现出更精细的晶粒结构、更窄的晶粒尺寸分布和更高的致密性。元素分析表明，TSS陶瓷的Na/K和(K+Na)/Nb比值更接近理论值，证实TSS有效减少了碱金属元素的挥发。

介电性能测试显示，TSS陶瓷具有更高的介电常数和居里温度(T_C~210°C)。X射线衍射(XRD)和Rietveld精修证实，TSS陶瓷在室温下存在菱方-正交-四方(R-O-T)多相共存，且正交相比例更高。压电力显微镜(PFM)分析表明，TSS陶瓷中同时存在长程有序的亚微米条纹域和密集的迷宫状纳米域，这种多级域结构有利于极化旋转和压电性能提升。

卓越的压电性能与理论验证

铁电和机电性能测试显示，TSS陶瓷具有更高的剩余极化强度(P_r)和压电常数(d₃₃~630 pC N^-1)。纵向机电耦合系数k₃₃达到0.66，优于大多数已报道的KNN基陶瓷。理论计算进一步证实，减少碱金属空位有助于提升压电系数e₃₃和e₁₅，从原子尺度解释了TSS陶瓷性能增强的机理。

LF-UIA性能评估与超声成像验证

基于高性能TSS陶瓷，研究团队成功制备了64通道无铅超声成像阵列(LF-UIA)。该阵列中心频率为8.36 MHz，-6 dB带宽超过40%，插入损耗低至25.6 dB。成像分辨率测试表明，LF-UIA的横向和轴向分辨率分别达到0.29 mm和0.2 mm，能够清晰分辨深度超过15 mm的钨丝仿体。

实时多普勒脉冲波测量

体内实验表明，LF-UIA能够实现桡动脉和颈动脉的高分辨率B超和多普勒成像。脉冲波多普勒(PWD)测量显示，桡动脉峰值流速约60 cm s^-1，颈动脉峰值流速达100 cm s^-1，准确反映了血流动力学特征。

可穿戴实时肌肉超声弹性成像

LF-UIA在剪切波弹性成像(SWE)方面表现出色，能够准确评估组织力学特性。在商用弹性仿体上验证的剪切波群速度(C_g)为2.73 m s^-1，与标准值(2.8 m s^-1)高度一致。实时监测显示，肱二头肌收缩时的杨氏模量(~24.96 kPa)显著高于松弛状态(~15.25 kPa)，与临床报道数据相符。

生物安全性评估

生物相容性实验证实，KNNS-BAZ陶瓷及其前驱体Nb₂O₅无明显细胞毒性，细胞存活率超过97%，溶血率低于1.6%。大鼠皮下植入实验显示，KNNS-BAZ组肝肾功能指标正常，主要器官无病理改变，炎症因子TNF-α和IL-6表达水平与对照组相当，显著优于含铅材料。

本研究通过创新的材料设计和器件构建策略，成功开发出高性能无铅压电陶瓷及其可穿戴多模态超声成像阵列。TSS工艺有效恢复了长程铁电有序，使KNNS-BAZ陶瓷具有优异的压电性能(d₃₃~630 pC N^-1，k₃₃~0.66)和温度稳定性。基于该材料构建的64通道LF-UIA在成像分辨率、灵敏度和安全性方面均表现出色，能够实现高分辨率B超、多普勒成像和实时剪切波弹性成像。

该研究的创新之处在于首次将高性能无铅压电材料与可穿戴器件设计完美结合，为解决含铅压电材料的生物安全性问题提供了有效方案。LF-UIA在肌肉生物力学监测方面的成功应用，展示了其在康复医学、运动科学等领域的巨大潜力。未来通过进一步优化材料性能、改进器件设计并整合人工智能技术，这种无铅可穿戴超声平台有望推动个性化医疗和远程健康监测的发展，为下一代生物医学诊断和治疗技术奠定基础。