无铅压电材料革新雾化治疗：高性能(K,Na)NbO3基压电陶瓷的医疗应用突破

为解决传统含铅压电雾化器可能导致的铅中毒风险，研究人员开发了基于(K,Na)NbO3(KNN)的高性能无铅压电陶瓷。通过多尺度结构设计，该材料实现了d33=420 pC/N和kp=0.48的优异电学性能，其雾化速率达0.25 ml/min且液滴粒径仅3.42μm，性能媲美含铅PZT陶瓷。生物相容性测试显示KNN材料溶解重金属离子浓度<1 ppm，显著低于PZT的150 ppm，为呼吸系统疾病治疗提供了安全可靠的解决方案。

　　

呼吸系统疾病影响着全球超10亿患者，雾化治疗作为重要给药方式却暗藏健康隐患。当前主流医用超声雾化器使用的Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)压电陶瓷，在酸性药液和超声波协同作用下可溶出高达150 ppm的铅离子。单次治疗就可使儿童血铅水平超过安全限值0.035 ppm，导致不可逆的神经损伤。这一严峻问题催生了无铅压电材料的迫切需求。

浙江大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，成功开发出基于(K,Na)NbO₃(KNN)的穿戴式无铅医用超声雾化器。通过多尺度结构工程，该材料实现了媲美PZT的压电性能（d₃₃=420±10 pC/N，k_p=0.48±0.03），其雾化性能与商用含铅产品相当，液滴平均粒径3.42μm，雾化速率0.25 ml/min。更关键的是，KNN材料在酸性药液中重金属离子溶出浓度<1 ppm，而PZT组高达150 ppm。生物相容性实验显示，L929细胞在KNN表面增殖活性显著优于PZT组（培养5天时细胞活性提高30%），证实了其临床应用安全性。

研究采用四大关键技术：1）通过X射线衍射和STEM-HAADF解析KNN的原子尺度极化矢量分布；2）利用ICP-MS定量分析药液中重金属离子溶出浓度；3）基于有限元模拟优化压电组件振动模式（谐振频率122-142 kHz）；4）采用CCK-8法和SEM评估材料生物相容性。

结构-性能关系

通过Rietveld精修和PFM证实KNN存在菱方相与四方相共存，极化矢量呈现4.5°低角度分布，这种多相共存结构降低了极化旋转能垒。STEM-HAADF显示Nb原子偏离晶格中心形成多重极化矢量，赋予材料优异压电响应。

稳定性与生物相容性

在布地奈德（pH=4.5）等酸性药液中，PZT溶出铅离子浓度达150 ppm，而KNN溶出重金属离子<1 ppm。CCK-8检测显示KNN组培养5天的细胞活性OD值较PZT组提高47%，SEM观察到更密集的细胞贴附。

无铅雾化器设计

有限元模拟确定最佳参数：压电环内径7.5mm、厚度0.6mm，弧形凸台高度0.3mm。激光打孔制备的锥形微孔（孔径40μm，锥角18°）确保雾化均匀性，产品已获医疗器械注册证并实现商业化。

该研究首次实现KNN基无铅压电材料的规模化医疗应用，解决了雾化治疗中铅暴露的重大安全隐患。穿戴式设计（图4f）使患者可进行个性化家庭治疗，对慢性呼吸疾病管理具有革命性意义。作为压电材料无铅化进程的重要里程碑，该技术符合全球可持续发展目标，为医疗设备安全性能树立新标准。