壓電材料能夠將機械能轉換為電能，亦能將電能轉換為機械能，目前已被廣泛用于傳感、執行、能量采集、清洗以及超聲成像等應用。近來，隨著新型結構設計和計算的興起，預計將3D微特征結合到壓電材料中有望提供前所未有的特性或功能，包括各向異性設計、定制化發射、局部超聲場，以及用于微型機器人的傳感器和執行器等。

由于壓電陶瓷的脆性，這些結構的制造要么依賴于傳統的機械加工方法（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的3D打印復合材料。機械加工過程引起的機械應力會導致晶粒拔出、強度降低以及去極化，從而導致制造元件的壓電性能顯著退化。

因此，具有這些結構的壓電材料相比原始陶瓷材料的壓電系數低得多，并且在用作超聲換能器時發射聲壓也弱。對于需要小尺寸、高發射聲壓和局部能量輸出的應用，打印具有精確微尺度特征、自由形狀和高壓電響應（能夠進行聲聚焦、阻抗匹配并用作背襯層）的壓電陶瓷換能器是非常理想的，有望實現很多新的應用，包括原位成像、超聲細胞調節、血管內溶栓、血腦屏障破壞、神經調控以及通過空化現象增強藥物輸送等。

解決該挑戰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）。在SLA工藝中，壓電納米顆粒可與光敏單體混合形成復合膠體用于UV固化，以逐層方式構建3D復合元件。

高顆粒負載復合膠體的粘度使得打印均勻層變得困難，并且顆粒的光散射效應會導致打印特征尺寸變寬，使打印精確特征具有挑戰性。為了生成致密的壓電陶瓷，在高溫下燒結所制備的復合材料，以燒掉聚合物基體并重新生長陶瓷晶粒。

盡管鈮酸鈉鉀（KNN）和鈦酸鋇（BTO）等壓電陶瓷最常用于3D打印，但由于在高溫燒結過程中發生的鉛蒸發，具有高壓電常數和經濟性的鉛基壓電陶瓷的打印仍然難以掌控，這抑制了燒結元件的功能性能。此外，傳統的燒結工藝在3D打印元件中會引起變形、裂紋和高孔隙率，從而導致機械和壓電性能的下降。

據麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學伯克利分校材料科學與工程系的研究人員提出了一種基于SLA的增材制造方法，該方法具有優化的后燒結工藝，可用于打印具有微尺度特征和高壓電響應的致密鋯鈦酸鉛（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（LPS）技術（在燒結過程中應用燒結添加劑液相，以促進晶粒生長并改善陶瓷的燒結行為）的啟發，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方法，以及一種液體密封方法，以抑制高溫下的鉛蒸發，從而降低燒結元件的孔隙率和鉛損失。所制造的PZT元件實現了高達583 pC/N的壓電電荷常數和機電耦合因子，相當于原始材料的92.5%，優于目前可打印的壓電材料。

除了活性材料，研究人員還開發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的物理外殼，以確保目標應用的最佳性能。為了驗證該方案的應用，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的血管中產生高局部聲壓?，從而實現局部空化觸發、增強藥物輸送和超聲調節細胞活動。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3D打印換能器的新應用實現跨越式發展。

微型超聲換能器設計，高負載PZT復合材料的3D打印和液相燒結

PZT自由形式制造，以及所制造壓電元件的壓電性能

研究人員發現，這種3D打印的在9.75 MHz下工作的微型超聲換能器，產生的聲壓曲線超過了許多醫學閾值。這一發現凸顯了這些器件在醫療應用中的潛力。

除了有源壓電元件，研究人員還構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，可在很寬的范圍內定制阻抗和衰減系數，從而使超聲換能器適應不同需求的應用。

所制造的微型超聲換能器的封裝設計和聲能輸出特性

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。所構建的器件面向醫療應用，能夠在小血管中產生高局部聲壓，以實現局部空化現象、增強藥物輸送和細胞活動的超聲調節。

本研究報道的處理方法實現了由3D打印壓電元件驅動的超聲換能器的高能量輸出應用。其微結構效果的優化，以及可調的匹配和背襯層特性，可將高聲壓限制在亞平方毫米以內。除了藥物輸送，局部聲能輸出還可以實現血管內溶栓、原位成像、神經調控、超聲控制和腫瘤學等應用。