独立式分级多孔BCZT薄膜实现软组织中高效超声能量收集

《Advanced Science》：Freestanding Hierarchical-Porous BCZT Thin Films Enable Efficient Ultrasonic Energy Harvesting in Soft Tissue

　　

压电陶瓷薄膜优异的机电性能使其在生物电子系统中能够实现超声能量收集。然而，大多数压电陶瓷薄膜易碎，在变形状态下无法保持机械完整性，阻碍了其在软组织耦合中的应用。在此，研究人员报告了一种独立式分级多孔锆钛酸钡钙（BCZT）薄膜，该薄膜兼具抗裂性与高效超声能量收集能力。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为致孔剂制备的分级多孔结构，分散了拉伸侧应力集中并抑制了裂纹萌生，同时降低了与软组织的声阻抗失配并抑制了界面超声反射。该薄膜表现出降低的介电常数和高压电电压系数g₃₃ = 97 × 10^?3 V·m/N，在相同超声激励下，于各自最优负载下评估的最大输出功率约为致密BCZT薄膜的1.5倍。凭借其优异的压电性能，该薄膜还能够可靠检测微弱振动，如桡动脉脉搏波信号。这项工作展示了分级多孔结构在独立式压电陶瓷薄膜中同时改善声学耦合、机械可靠性和机电转换的能力，突显了其在可穿戴传感和植入式超声供能生物电子学中的潜力。

**独立式分级多孔BCZT薄膜实现软组织耦合超声能量收集**

**研究背景：** 压电薄膜因其与器件小型化和系统集成的兼容性，在柔性传感与驱动中扮演核心角色。然而，多数压电陶瓷薄膜沉积并加工于刚性基底上，机械约束严重限制其可变形性以及与动态软组织的共形集成。现有独立式薄膜制备方法如化学刻蚀、机械剥离、激光剥离等虽能实现释放，但陶瓷薄膜本征脆性使剥离过程易产生裂纹和撕裂，并且在后续弯曲或组织变形时，应力常集中于陶瓷层导致开裂，进而引起电极短路和器件失效。此外，用于植入式超声能量收集时，高介电常数会抑制电压响应，致密陶瓷与软组织间显著的声阻抗失配则造成界面反射，降低传输至压电层的超声能量。因此，亟需开发兼具机械可靠性、高电压灵敏度和声学匹配特性的独立式压电陶瓷薄膜。

**研究内容与意义：** 研究人员基于Pt/云母范德华弱界面，开发了水触发的阻隔层剥离策略，成功制备厘米级独立式分级多孔BCZT薄膜。通过引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为致孔剂，采用逐层旋涂构建从多孔表面到致密底部的梯度结构。该结构同时实现了应力重分布、介电常数降低和声阻抗渐变，使薄膜具备优异的抗弯可靠性、高压电电压系数和高超声传输效率。这一成果为可穿戴脉搏波监测和植入式超声供能生物电子提供了材料与架构基础，发表于《Advanced Science》。

**关键技术方法：** 研究人员主要采用：1）水触发范德华剥离方法，利用Pt/云母弱界面的毛细水渗透实现温和释放；2）PVP辅助溶胶-凝胶逐层旋涂与梯度退火构建分级多孔结构；3）SEM-EDS、XRD、AFM、PFM、纳米压痕等材料表征；4）相位场有限元模拟分析断裂行为；5）离体猪组织模型与200 kHz超声系统进行能量收集测试；6）NIH-3T3细胞相容性评估。样本来源包括商品化氟金云母基底和新鲜猪组织，人体脉搏实验经伦理批准。

**研究结果：**

**2.1 独立式分级多孔BCZT薄膜的制备：** 通过水触发范德华剥离，EVA支撑层有效保护陶瓷膜。大面积SEM-EDS显示剥离面位于Pt/mica界面，无云母残留；基底可重复使用。释放后的完整薄膜可弯曲至约1 mm半径而不开裂，证明其机械柔韧性优于传统致密陶瓷膜。

**2.2 分级多孔结构与应力重分布：** 研究发现，PVP热分解和氧化产生孔隙，孔隙率随PVP含量增加从0%增至42%，杨氏模量和介电常数随孔隙率增大而降低。采用0/5/10 wt% PVP的三层梯度结构实现“致密—多孔”过渡。相位场模拟显示，致密膜损伤高度局域化并形成主裂纹，而分级多孔膜呈现弥散损伤、裂纹偏转和分叉，失效应变增大，机械能密度0.014 MJ/m3略高于致密膜的0.013 MJ/m3，表明其主要通过应力重分布而非本质增韧提升可靠性。

**2.3 机电表征与可穿戴脉搏波传感：** PFM测量显示分级多孔膜具有均匀压电响应，有效d₃₃约107 pm/V，低于致密膜（193 pm/V）；但其介电常数仅约124（致密膜约560），故压电电压系数g₃₃达97 × 10^?3 V·m/N，约为致密膜的2.5倍。集成柔性电路后，该设备成功记录静息（72 bpm）和运动后（108 bpm）桡动脉脉搏波，并清晰分辨冲击波和重搏波。

**2.4 组织耦合超声能量收集与功率传输：** 声学仿真与离体猪组织实验表明，分级多孔膜有效降低界面反射，透射压力衰减比致密膜小约3倍。在200 kHz超声激励下，分级多孔器件在47 kΩ最优负载下输出约82 μW，致密器件在10 kΩ下输出约55 μW，前者约为后者的1.5倍；阻抗谱排除了共振增强贡献。电容充电测试显示，该器件可穿透1–4 cm组织对33–330 μF电容器稳定充电。体外细胞实验显示，BCZT及封装材料提取液培养的NIH-3T3细胞增殖良好，无明显细胞毒性。

**讨论与结论：** 研究人员讨论指出，分级多孔结构虽降低了有效压电系数，但通过显著降低介电常数提升了电压灵敏度；同时多孔表面改善声学耦合，应力重分布提升机械可靠性，三方面协同使其非常适合可穿戴与植入式场景。研究结论为：开发了独立式分级多孔BCZT薄膜，实现相纯BCZT并保持结构完整性和机械柔顺性；通过应力重分布抑制裂纹萌生，提高机械可靠性；降低有效介电常数并保留压电活性，获得高压电电压系数g₃₃ = 97 × 10^?3 V·m/N；在组织相关条件下减少界面反射、增强透射压力，输出功率较致密膜提升约1.5倍。分级多孔策略为同时提升独立式压电陶瓷薄膜的机械鲁棒性、声学耦合和机电转换提供了有效途径，突显其在可穿戴传感和植入式超声驱动生物电子学中的潜力。