用于遠(yuǎn)場高分辨醫(yī)學(xué)成像的可生物降解柔性聲學(xué)超構(gòu)表面功能器件

聲人工結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面是一種可產(chǎn)生特殊物理效應(yīng)的新穎聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特之處在于能夠?qū)β暡ǖ南辔?、振幅進(jìn)行完全控制，可個(gè)性化定制任意波場，在高/超分辨醫(yī)學(xué)成像、精準(zhǔn)操控給藥和可穿戴器件等方面具有重要應(yīng)用前景。?

聲學(xué)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)通常是剛性而固定的，厚度在毫米以上，甚至與波長相當(dāng)。同時(shí)，這些超構(gòu)表面的工作頻率通常在較低的頻率，高頻高性能應(yīng)用受限。盡管高精度三維打印技術(shù)的快速發(fā)展，使得加工更小的超構(gòu)表面構(gòu)件成為可能。然而，更復(fù)雜的是，當(dāng)超構(gòu)表面的工作媒介為水等液體介質(zhì)時(shí)，將面臨新挑戰(zhàn)。例如，為了實(shí)現(xiàn)所需的波前工程，聲學(xué)中的質(zhì)量定律約束了水下超構(gòu)表面具有結(jié)構(gòu)緊湊而尺寸龐大的特征，這限制了聲學(xué)超構(gòu)表面的潛在應(yīng)用場景。此外，不可避免的固液耦合引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，可導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的聲學(xué)超構(gòu)表面器件失效，成為應(yīng)用的突出瓶頸。?? ?

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員鄭海榮與華中科技大學(xué)教授祝雪豐等合作，研發(fā)了二氧化硅納米顆粒修飾的細(xì)菌-纖維素柔性超構(gòu)表面元材料（圖1）。這種材料在水中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、出色的機(jī)械加工性能、超薄厚度、超輕重量、細(xì)菌可修復(fù)能力和生物相容性。

圖1 細(xì)菌-纖維素柔性超構(gòu)表面的加工和性能表征

利用這種柔性超構(gòu)表面元材料，研究進(jìn)一步基于剪紙工藝開發(fā)出功能性聲學(xué)超構(gòu)表面，可加工~ 10 μm精度的復(fù)雜圖案。得益于這種超構(gòu)表面材料的Cassie-Baxter效應(yīng)產(chǎn)生的完美超聲絕緣性，該研究設(shè)計(jì)制造出超薄（~ 20 μm）、超輕（< 20 mg）的芯片級(jí)聲學(xué)器件，如非局域全息超構(gòu)透鏡和三維成像超構(gòu)透鏡，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜全息聲場和遠(yuǎn)場高分辨三維超聲脈沖-回波成像（圖2、3）。該研究為開發(fā)柔性可生物降解的新型超構(gòu)材料器件提供了變革性技術(shù)，并為相關(guān)生物醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用開辟了新方向。

圖2 基于剪紙工藝開發(fā)的非局域全息超構(gòu)透鏡及其復(fù)雜全息聲場



圖3 基于剪紙工藝開發(fā)的成像超構(gòu)透鏡及其遠(yuǎn)場高分辨二維、三維超聲脈沖-回波成像

相關(guān)研究成果以“Decorated bacteria-cellulose ultrasonic metasurface”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省卓越青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。???

審核編輯：劉清