用于遠場高分辨醫(yī)學成像的可生物降解柔性聲學超構(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)生特殊物理效應的新穎聲學結(jié)構(gòu)，其獨特之處在于能夠?qū)β暡ǖ南辔弧⒄穹M行完全控制，可個性化定制任意波場，在高/超分辨醫(yī)學成像、精準操控給藥和可穿戴器件等方面具有重要應用前景。?

聲學超構(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。同時，這些超構(gòu)表面的工作頻率通常在較低的頻率，高頻高性能應用受限。盡管高精度三維打印技術的快速發(fā)展，使得加工更小的超構(gòu)表面構(gòu)件成為可能。然而，更復雜的是，當超構(gòu)表面的工作媒介為水等液體介質(zhì)時，將面臨新挑戰(zhàn)。例如，為了實現(xiàn)所需的波前工程，聲學中的質(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，這限制了聲學超構(gòu)表面的潛在應用場景。此外，不可避免的固液耦合引起的結(jié)構(gòu)振動，可導致所設計的聲學超構(gòu)表面器件失效，成為應用的突出瓶頸。?? ?

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員鄭海榮與華中科技大學教授祝雪豐等合作，研發(fā)了二氧化硅納米顆粒修飾的細菌-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、出色的機械加工性能、超薄厚度、超輕重量、細菌可修復能力和生物相容性。

圖1 細菌-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，研究進一步基于剪紙工藝開發(fā)出功能性聲學超構(gòu)表面，可加工~ 10 μm精度的復雜圖案。得益于這種超構(gòu)表面材料的Cassie-Baxter效應產(chǎn)生的完美超聲絕緣性，該研究設計制造出超?。▇ 20 μm）、超輕（< 20 mg）的芯片級聲學器件，如非局域全息超構(gòu)透鏡和三維成像超構(gòu)透鏡，實現(xiàn)了復雜全息聲場和遠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，并為相關生物醫(yī)學儀器應用開辟了新方向。

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)透鏡及其遠場高分辨二維、三維超聲脈沖-回波成像

相關研究成果以“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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省卓越青年團隊項目、深圳市基礎研究專項重點項目等的支持。???

審核編輯：劉清