超声手术刀用超声换能器

所属学院：数理学院

合作方式：☒整体转让 ☒技术许可 ☒作价入股 ☒合作开发

成果简介：

随着我国肝、脑肿瘤、骨科疾病等患者数量的增加，超声换能手术刀的市场需求增长迅速，作为先进压电材料超声换能器在医疗领域的重要大功率应用之一，其市场长期被国外强生等公司所垄断，致使其价格昂贵，难以满足普惠医疗的需求；在《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中明确提出了突破生命健康、普惠医疗中的重大科技瓶颈的主要方向和科技部2018年要重点做好“科技支撑健康中国建设”的工作中又提出了推进重大产品攻关，加速推进医疗器械国产化、高端化、品牌化、国际化发展的目标的大背景下，超声换能手术刀国产化迫在眉睫。本团队经过长期研究，面向超声换能手术刀大功率医疗应用，研制出了高性能、高稳定性的先进压电材料及器件，将有望实现产业化对打破国外垄断、实现普惠医疗和促进社会经济发展。

成熟程度及推广应用情况：

目前处于何种研发阶段：☐研发 ☐小试 ☒中试 ☒小批量生产 ☐产业化；样机：☒有 ☐无

推广应用情况：借助于北京科技大学广州新材料研究院中试孵化基地，与国内多家公司合作开展高频超声换能手术刀等器件的研究。

技术优势：

超声手术刀用换能器的关键技术就是压电陶瓷振子材料的研发与制备，需解决的卡脖子技术问题在于：一、难以同时拥有高的机械品质因数Qm、压电系数d33、机电耦合系数Kp以及较小的介电损耗tanδ等良好的综合机电性能，如通过设计氧空位、降低铁电畴翻转等手段提高Qm、降低tanδ势必会引起d33、Kp、ε等参数的下降；二、难以维持高综合机电性能的良好稳定性（温度、频率等），如受压电陶瓷相界、铁电畴结构等因素的影响，目前国内多数团队研发的压电陶瓷性能随温度的变化较大，难以满足实际的应用需求。本团队通过多年研发，获得综合性能优异的超声换能压电陶瓷，具体性能指标为Qm~2580、kp~0.59、tanδ~0.006，该综合性能高于美国电力转换公司APC841型号产品。

性能指标：

机械品质因数Qm~2580。

机电耦合系数kp~0.59。

介电损耗tanδ~0.006。

市场分析：

截止2020年2月底，全国三级医院2762家，二级医院9730家，若平均三级每年消耗80把，二级医院50把，每年保守预估消耗约70万把超声手术刀，进口定价6000-7000元一把，按6500元计算，国产定价2000-3000元一把，按2500元计算。虽然近年来，清华大学，中科院声学所东海研究站、瑞声科技、南京森盛、瑞奇外科器械（中国）、北京安和加利尔科技有限公司等相关机构和公司都对超声手术刀进行了研发，也有一些系列的超声手术刀投产，但在质量和品牌知名度等方面与国外产品仍然有较大的差距，中国超声手术刀的进口依赖度仍然在85%以上。中国超声手术刀的进口来源地主要为美国、日本、韩国等。因此，我国急需研制高水平、价格适中的超声手术刀来满足广大患者的需求，中国超声手术刀的进口替代空间非常大。

经济效益分析：

通过中试研究，预计两年内实现量产。

成果亮点：

1.具有自主知识产权，研究成果已授权发明专利1项，申请1项。

2.成果来源：国家杰出青年基金、青年拔尖人才支持计划、北京科技大学广州新材料研究院成果孵化项目等。

3.技术先进性：国际先进，利用本项目生产的超声换能器组装的手术刀具有发热少、运行稳定等优势，可媲美美国电力转换公司APC841型号产品和日本株氏会社医疗用富士陶瓷C-213型的性能，可实现进口产品取代，打破垄断局面。

团队简介：

陈骏教授，长期从事热、磁、电功能材料研发及应用研究。

陈骏，教授，博导，北京科技大学数理学院院长，曾获国家杰出青年基金（2018年）、国家自然基金委优秀青年基金（2013年）、全国百篇优秀博士学位论文（2009年）、德国洪堡博士后基金（2008年）、教育部长江学者奖励计划青年项目（2015年）。本团队现有教授2人，副教授4人，讲师1人，博士后1人，博士生、硕士生30余人。团队长期从事磁电功能材料结构及成分设计，热膨胀可控的功能材料及应用，新型能源存储与转换材料与器件研究。团队自2008年开展铁电压电新颖功能陶瓷合成及微观结构方向的研究工作。研究了一系列钙钛矿型铁电压电性能优异的陶瓷材料。采用同步辐射原位分析技术研究了铁电压电体系晶体结构特征，揭示了优异压电性质的结构因素。近5年，以第一作者/通讯作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.等学术期刊发表与铁电材料相关的SCI论文50余篇。为解决高端换能器卡脖子问题，团队针对不同用途的换能器设计和制备出了一些列高性能压电陶瓷材料：1、开发出可用于高灵敏度接收型换能器压电陶瓷材料，主要技术参数：介电常数r>6000，压电常数d33>900 pC/N，机电耦合系数kp>70%，机械品质因数Qm<50，居里温度tc>180 oC，烧结温度Ts<1200 260-360="" 240-340="" d33="">350 pC/N、居里温度Tc>480 oC、烧结温度Ts<1000 oC，且陶瓷中铅的质量占比<20%；4、开发在超宽温区具有高介电常数的无铅铁电陶瓷（室温~350 oC，r~1300 10%）；5、开发多种具有优异温度和频率稳定性的无铅储能陶瓷电容器。

成果相关照片：

压电超声换能器结构图

联系方式：

北京科大科技园

010-62333830,62335841,62335665,62333626