- 文献综述（或调研报告）：
1.1引言
气溶胶药物是指将液体药物或干粉药物通过一定的方法分散成微米级别的的颗粒，从而形成气溶胶状的药物。患者通过口、鼻将气溶胶药物吸入呼吸道，则可将药物送入体内或指定部位。这种送药方式的好处有三点：第一，由于药物已经被分散成气溶胶制剂吸入体内，药物可以充分与患者患处接触从而提升治疗效率；第二，对于咽喉部位、气管、肺部有疾病的患者来说，可以通过控制药物粒径使药物准确通过口鼻送至患部；第三，患者无需通过注射、口服等其它途径服药，减轻病人服药过程的痛苦。在人类历史上，使用吸入药物微粒的治疗方法很早就有记载：古希腊人在第一个世纪就通过吸入火山喷发所得到的硫磺烟来治疗疾病；而北美的印第安人也通过抽含有树叶和树根的烟卷来治疗哮喘[1]。而真正将吸入气溶胶药物这一疗法商业化还是在十九世纪，从此气溶胶药物和相关的吸入式装置正式进入了大众的视野[2]。
能够将药物雾化的装置称为雾化器（nebulizer）。雾化器可以按分散物质分而形成两类：液体雾化器和干粉雾化器[3]。只需更换外置设备便可在这两种类型中转换。而主要的分类方法则是按工作机理分类的两大类：气动（喷射）雾化器、超声雾化器[3-5]。气动雾化器是最先被研发的一种雾化器，通过在盛有液体的容器底部通入高速压缩空气产生粒径为1-5m的气雾，原理是高速流体在内部产生低压使得液体雾化。但是气动雾化器的缺点是因为需要集成空气压缩器而使得设备过于笨重且噪声过大，且高速压缩空气的通入也会使得病人的吸入过程受到影响，阻碍了该类雾化器的发展[6]。超声雾化器的工作原理是使用从超声压电材料产生的高频超声波刺激液体使得液体分裂成细小液滴，达到雾化效果。这类雾化器的优势是噪声小、易携带、且易控制喷射出的液体粒径分布，尽管它也有喷射速度慢、剂量小、元件易过热等缺点[1]。有些研究也提出了下一代先进超声雾化器的概念[1]，叫做震动筛雾化器（如图1.2所示）。这类雾化器是基于超声原理，用超声波驱动筛子震动，产生不同粒径的药物微粒。这种雾化器在能够提供及其均匀的粒径分布的同时，也可以极大地减少药物的浪费。但由于其制作成本高、多孔筛容易滋生细菌、纳米制造过程繁琐等原因[1]，这种雾化器尚处于在研阶段而没有商业化。
目前随着雾化器的研究越来越广泛，其也逐步开始向商业化生产迈进，并发展出了多种应用领域，使得雾化器的研究越来越具有商业和工业价值。其中最重要的应用是在生物医学领域，雾化器可以为治疗疾病提供新的思路。一个此外，该技术还能够在产品制造、工业生产中得到应用：可以将颜料溶液或胶黏剂装填入超声雾化器中雾化，再通过特定的喷嘴喷涂至工业产品或艺术品表面达到控制上色、修复等目的[4]。同时，在材料科学中，也有部分研究人员致力于将超声雾化器应用于新材料的喷涂技术。尤其是一些研究人员研究薄膜厚度和纳米材料粒径对器件电学性能的影响（例如Ritter等人的研究[7]）为这类研究奠定了应用基础。如Mincheol等人将超声雾化器用于制备太阳能电池的钙钛矿涂层，使得太阳能电池的光电转换率得到了提升[8]。
1.2超声雾化器
超声雾化器因为其没有传统气动式雾化器难以克服的缺点、又拥有良好的性能和较小的体积，目前一直是生物医学领域研究的热点，也是工业界乐意投资的产品。新发展的下一代雾化器也是基于超声的原理进行研发，由此可见超声雾化器的研究价值。在章节1.1中已经简要介绍了超声雾化器的原理和优缺点。本节将详细讨论超声雾化器的工作原理。
1.2.1基本原理
压电材料能够实现电能和机械能的相互转换。如果给压电材料施加一定的电信号，其就能够将电信号转化为周期振动的机械波（在超声雾化器里机械波为超声波）而驱动液体雾化。超声波在液体内部扩散，带动液体表面振动，气液界面失稳从而产生新的液滴。然而这种振动总是滞后于压电材料的振动，滞后时间与黏度、表面张力和液体的密度有关。
目前共有两种机理可以解释超声振动是如何具体地导致液体表面失稳而产生小液滴的。第一种理论是最初由Sollner设计实验证实的空位理论[10]。空位理论表明，当超声波激发液体表面振动使得液面压力在某一时刻突然降至最低时，一些小液滴被震荡波甩离母液而形成雾化液滴，完整过程如图1.3所示。
而另一种可以解释现象的理论叫做体声流理论（也叫毛细管波理论[11]），它主要是指超声波与液体固有频率产生共振，液体内部的震荡在液体表面激发毛细波。当毛细波的频率超过了不稳定的阈值，液体表面就会有小液滴生成[1]。值得注意的是目前的实验表明这两种机理都可以发生在超声雾化过程中，且液体本身的黏度和表面张力与哪一种机理占过程的主导地位有很大的关系。也有人将两种理论进行结合从而整合出更加完整的理论，被广泛接受[11]。
1.2.2 主要参数
在研究超声雾化器时，尤其是在研究超声雾化器在生物医学领域中的应用时，最需要关注的是超声雾化器产生液滴的粒径分布：雾化药物的粒径分布直接影响了药物在呼吸道能被传播的最远距离以及是否能够被送到肺部以达到治疗效果。有研究表明，如果想要将气溶胶药物成功送至肺部，最佳的粒径分布应该小于3[1]. 而过小的粒径（小于1）也会导致药物虽然到达了肺部，还是会随着下一次呼吸循环呼出体外的情况。因此，对于不同的送药目标，一个高度均匀的、狭窄的粒径分布是十分必要的，否则会降低送药效率。
根据毛细管波理论，液滴粒径与毛细管波波长有关，而毛细管波波长又随着超声波频率的增加而减小。因此，增加超声波的频率能产生更细小的液滴。毛细波的波长可以根据开尔文公式（公式1.1）计算[1, 11]：
（公式1.1）
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