压电材料作为一种特殊的功能性材料，能够将机械能和电能相互转换。这种神奇的特性使得压电材料在众多领域得到广泛应用，尤其是在换能器、驱动器和传感器等方面。常见的压电材料包括无机压电材料如钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）陶瓷，以及有机压电材料如聚偏氟乙烯（PVDF）。
在医疗领域，压电材料的应用同样前景广阔，在超声探头、人工耳蜗和助听器等医疗器械中发挥着关键作用。例如，在超声医学影像中，压电陶瓷作为超声换能器的核心材料，负责发射和接收超声波，进而转化为电信号供医生分析。此外，压电材料在听力健康领域也展现出巨大潜力，如全植入式人工耳蜗和牙骨传导助听器等创新应用，为患者提供了更为精准和高效的治疗方案。随着技术的不断进步，新型高性能压电材料在医疗领域的应用将更加广泛和深入。
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压电材料的原理
压电材料是一种可以实现机械能与电能相互转换的功能性材料，即能在压力作用下产生电，或在电场作用下产生运动。这是因为材料内部的晶体结构在受力时会发生变形，导致电荷分布变化，形成电流。反之，电流通过时也能引起材料变形。这种特性让压电材料广泛应用于超声换能器、传感器和驱动器等领域。例如，压电材料通电后会根据电流的变化产生相应的机械振动，这些振动以声波的形式传播出去，就产生了超声波；同样，当压电材料遇到声波时，由于声波的振动，压电材料内部的晶体结构也会随之振动，从而产生电信号。
图1.正压电效应（左）和负压电效应（右）（资料来源：网络公开资料）。
02
压电材料的分类
压电材料主要分为无机压电材料和有机压电材料两大类，其中无机压电材料又可分为压电晶体和压电陶瓷。
图2.压电材料分类图（资料来源：网络公开资料、华医研究院）。
居里兄弟首次在石英晶体中观察到压电效应，开启了这一领域的研究。20世纪40年代，钛酸钡（BaTiO3）的显著压电特性引领了压电陶瓷的发展。不久后，锆钛酸铅（PbTi1-xZrxO3, PZT）陶瓷以其更优异的性能和稳定性取代了BaTiO3，推动了压电材料的商业化。至今，PZT陶瓷仍是压电器件的主流选择。
1969年，聚偏氟乙烯（PVDF）的优良压电性能被发现，促进了高分子压电材料的快速发展。相比易碎的压电陶瓷，PVDF柔软坚韧，常制成薄膜，可用于医疗诊断的敏感装置结构。由于PVDF最常见的晶体结构不具有铁电性，往往需要通过机械拉伸、高温高压淬火、溶液结晶等方式来获得高含量的电活性相，并通过极化获得压电性能，所以工艺要求高于压电陶瓷，价格更高。
在高性能压电材料的研究领域，当前两大前沿方向备受瞩目：
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大尺寸单晶的研究：
如同硅片的大型化趋势，压电材料同样呈现出大型化的需求。然而，由于晶体生长的周期长、成本高，以及受热稳定性的制约，目前成功生长出实用化的大尺寸弛豫铁电单晶，以铌镁钛酸铅（PMNT）为主。尽管如此，大尺寸单晶仍面临着成分分布不均的问题，这在一定程度上影响了其性能的一致性；
2
无铅压电陶瓷的研究：
传统的PZT陶瓷含有铅元素，因此在环保性和生物相容性方面存在不足。随着新能源、医疗、环保等领域的快速发展，无铅压电陶瓷的应用前景变得日益广阔。其中，铌酸钾钠（KNN）基压电材料凭借其出色的性能，成为了一种备受关注的高性能无铅压电陶瓷。
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压电材料的
医疗应用场景
压电材料在超声探头、生物传感器等医疗领域的产业化应用较为成熟， PZT压电陶瓷等传统的压电材料在这些领域有广泛的应用，并且行业内对高端产品的需求在不断推动对新型高性能压电材料（如PMNT等）的研发和产业化。
以PLLA为主要成分的生物可吸收支架能够在完成支撑和引导细胞生长的任务后，逐渐被身体吸收。PLLA的压电性使其具有一定的促进组织再生的能力，已实验验证其对软骨、神经等再生的促进作用。当前，生物可吸收支架的研究正在探索如何优化材料的降解速率和力学性能，以更好地适应不同的临床需求。
压电催化通常使用的是BaTiO3等无铅材料。在这一过程中，压电材料产生电能可以催化氧化还原反应，破坏癌细胞或者细菌的代谢过程。尽管压电催化目前仍处于实验验证阶段，但它在医疗领域的潜在应用前景令人期待。
图3.压电材料的医疗应用场景（资料来源：网络公开资料、华医研究院）。
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压电材料在
超声探头领域的应用
超声医学影像整机产品可以简单分为主机和探头两个部分。探头的作用是发射、接收反射的超声波，并以换能器的原理把反射的超声波转化成信号，传输给主机。主机通过探头反馈的信号，通过计算将其显示成像，供医生观察、参考。探头是最核心元件，关系到图像采集的清晰度，高端超声设备生产厂商都会掌握独家的探头技术以垄断市场。而探头中最重要的部分超声换能器的主要材料就是压电陶瓷。根据测算，超声探头价格约占整机的10-15%。
图4.超声探头的结构图（资料来源：网络公开资料）。
1
超声设备市场竞争格局
因为超声探头技术是超声设备的关键技术，所以超声厂商引领了超声探头技术的迭代。根据各地招标网对各政府采购信息公开网站的采购项目信息的统计，2022年超声诊断仪的各品牌采购金额占比中，CR5为71.23%，采购金额占比TOP1的品牌为迈瑞，占总体23.93%，其次分别为通用GE、飞利浦philips、西门子Siemens、开立。
图5.2022年中国超声设备市场TOP5市占率（资料来源：比地招标网，华医研究院）。
目前，超声设备主要参与者正在努力通过升级产品、利用重要合作活动、探索收购和政府许可来改善他们的产品供应，以扩大他们的客户群并获得更大的整体市场份额。
图6.头部超声设备厂商的技术布局（资料来源：祥生医疗公开资料，华医研究院）。
2
医用超声探头市场规模
数据显示，2017至2021年，全球超声设备市场规模从68亿美元增长至76亿美元，年均复合增长率为2.82%；中国超声设备市场规模从93亿美元增长至104亿美元。预计到2028年中高端国产超声设备市场规模将达到77.85亿元。
根据杭州网发布的西湖区超声探头临床使用质量监测结果，使用时间超过3年的探头，出问题的可能性是3年内探头的10倍以上，故假设超声探头的平均使用寿命为4年，预计到2028年高端超声探头市场规模将超过20亿元。
图7.医用超声探头市场规模预测（资料来源：Grand View Research、Frost&Sulliven、华医研究院）。
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前景广阔的PMUT
21世纪以来，MEMS为超声技术发展注入新的动力，在降低大批量生产成本的同时，实现了低功耗、微型化、一体化集成的高性能微机械超声换能器（MUT），使其极具替代传统的压电陶瓷超声换能器的潜力。近年来，CMUT和PMUT产品的接连面世让医用超声设备市场显现出了向小型化便携式、掌上超声发展的趋势。
图8.MUT发展历程（资料来源：网络公开资料、华医研究院）。
CMUT与PMUT的差别主要是：
CMUT基于电容驱动和传感机制，使用硅芯片将电压转换成机械振动，而PMUT利用压电机制进行换能，因此，硅芯片具有价格低廉、量产难度更低的优势。但是CMUT的工作需要较高的直流偏置电压（范围在70-140 V之间），而PMUT能够在无直流偏置电压的情况下工作，这使PMUT对电压和功率受限的医疗应用（例如可穿戴设备、植入式设备等）具有吸引力。
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压电材料
在听力健康领域的应用
1
人工耳蜗
听力损失是全球最常见的疾病之一。目前，人工耳蜗植入已经成为治疗重度和极重度患者神经性聋的标准治疗方法。中国人工耳蜗的潜在需求广阔，根据国家统计局发布的数据，截至2022年底，中国听力残疾人达到2173.2万人，其中适合人工耳蜗的患者超过500万人。但人工耳蜗价格昂贵，目前渗透率极低，据了解，2022年国内人工耳蜗植入手术量仅为1.3万例左右。
图9. 人工耳蜗市场规模预测（资料来源：国家统计局、第二次全国残疾人抽样调查结果、华医研究院）。
理论上，压电耳蜗可以在耳蜗内直接将声信号转换为电信号，刺激听神经产生听觉，因此非常适合应用于全植入式人工耳蜗。目前，包括中国复旦大学的全植入设计方案在内，国际上至少有3种设计思路的9种全植入产品正在科研阶段。
图10.全植入式人工耳蜗技术路线（资料来源：网络公开资料、华医研究院）。
图11.Esteem®主动式中耳植入物（资料来源：Envoy Medical官网）。
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牙骨传导助听器
骨传导助听器的原理是将放大后的声音利用骨振器1引起乳突或头骨的机械振动，从而传导到内耳或中耳2，刺激听神经获取声音。适应症包括传导性耳聋（先天性小耳畸形、中耳炎、胆脂瘤等）、单侧耳聋（突发性耳聋、听神经瘤、先天性耳聋等）等。
骨导助听器又分为直接骨传导和经皮骨传导两大类。市面上常见的骨导助听器是经皮骨振子传导助听器，受成本的限制，基本上采用的是电磁式振子，不会用到压电陶瓷。只有医用级骨导助听器尤其是植入式，需要考虑助听器结构的精密程度，才会选择压电材料。
图12.骨传导助听器的分类（资料来源：网络公开资料、华医研究院）。
牙骨传导助听器是近年来新兴的直接骨导助听器。2010年，来自斯坦福大学、剑桥大学等的多位学者初步设计了针对单边耳聋的牙骨传导技术随后进行了一系列的研究与临床验证。实验证明，牙骨传导助听器（SoundBite）的平均听阈比骨锚式助听器（BAHA）优10dB，在声音定位、言语感知上都没有显著差别，并且牙骨传导技术作为一种非手术的直接骨导手段，提高了患者对骨导助听器的满意程度。
06
总结
从超声探头到人工耳蜗、牙骨传导助听器，压电材料的高性能特点使其在医疗器械中扮演着关键角色。随着技术的进步，新型高性能压电材料如PMNT单晶在医疗领域的应用也日益受到关注，展现出替代传统压电陶瓷的潜力，有望激发出更多高精尖产业的应用场景。
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声明
节选自华医研究院行业深度报告：2024年4月《压电材料行业研究报告》。
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注释:
1.一种通过振动传递声音的部件，又称振子。
2.内耳包括耳蜗、前庭、半规管等，中耳包括鼓膜、听骨链、咽鼓管、乳突等。
来源：华医研究院
作者：郭文婷
编辑：杨见星
