[發明專利]一種偶極共振增強的雙負型聲學超材料及其應用

有效

• 申請號: 202110756564.8
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113456839B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 黃玉輝;陳潔;吳勇軍;金一銘;洪子健
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: A61K49/22
• 分類號: A61K49/22;A61B8/00;A61N7/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本發明公開了一種偶極共振增強的雙負型聲學超材料：所述的偶極共振增強的雙負型聲學超材料包括作為基體的超聲耦合劑和分散在基體中用于發生米氏共振的散射體，所述散射體為添加高密度納米顆粒的多孔聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠微球PEGDA。本發明還公開了上述雙負型聲學超材料在顱腦超聲成像和高強度聚焦超聲治療上的應用。本發明提供的雙負型聲學超材料可以在1.08～1.32MHz較寬頻率范圍下實現強的單極共振和偶極共振，從而同時獲得負等效質量密度和負等效彈性模量，在顱腦超聲成像和高強度聚焦超聲治療等醫學領域有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于聲學超材料領域，特別涉及一種偶極共振增強的雙負型聲學超材料及其應用。

背景技術

超材料是一類由亞波長結構單元構成的具有超常物理特性的人工周期性材料。由于其結構尺度遠小于工作波長，無法被聲波分辨，因此可視為均質材料并用等效參數來描述。通過巧妙設計超材料的結構單元，可以精確操控聲波的傳輸方向，從而實現常規材料所不具備的獨特功能，例如負折射、負反射、聲隱形等，在軍事隱形、減振降噪、醫學成像等領域具有廣闊的應用前景。

米氏共振是基于米氏理論提出的共振米氏散射，要求材料具有相對于環境的高折射率，產生一系列米氏共振，從而獲得自然材料所不具備的負指數。反映到聲學領域，根據折射率n＝c/v(其中，n為折射率，c為環境基質的聲速，v為散射體的聲速)，要求聲波在散射體結構中的聲速遠小于在環境基質中傳播的聲速，使偶極共振貢獻負等效質量密度，單極共振貢獻負等效模量。然而，目前基于多孔硅膠微球或多孔水凝膠微球的聲學超材料的偶極共振普遍較弱，很難在較寬頻率下同時獲得雙負聲學參數。如公開號為CN111261135A公開了一種基于米氏共振的用于穿顱超聲成像的雙負型聲學超材料。

因此，如何在較寬頻率下同時獲得雙負聲學參數是目前本領域亟需解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種偶極共振增強的雙負型聲學超材料，能夠在較寬頻率下同時實現負等效質量密度和負等效模量，有效消除顱骨對聲波的散射和畸變作用，實現穿顱超聲成像和穿顱高強度聚焦超聲治療等。

本發明提供如下技術方案：

一種偶極共振增強的雙負型聲學超材料，所述的雙負型聲學超材料包括作為基體的超聲耦合劑和分散在基體中用于發生米氏共振的散射體，所述散射體為添加高密度納米顆粒的多孔聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠微球PEGDA。

本發明的構思在于：通過在多孔水凝膠微球中添加適量的高密度納米顆粒，由于納米顆粒尺寸很小，在提高多孔水凝膠微球質量密度的同時幾乎不影響微球的彈性模量，根據(其中，c為聲速，M為彈性模量，ρ為質量密度)，添加高密度納米顆粒的多孔水凝膠微球的聲速可以繼續降低，從而相對于超聲耦合劑基體的聲速區別更大，米氏共振增強。根據變換聲學理論和等效介質理論，與顱骨參數匹配的雙負型聲學超材料可以有效抵消顱骨對超聲的強烈散射，從而有望實現穿顱超聲成像和穿顱高強度聚焦超聲治療等。

優選的，所述的散射體微球在基體中的體積分數為15～25％。

優選的，所述的超聲耦合劑的密度為900～1100kg/m³，聲速為1400～1600m/s。

優選的，所述的高密度納米顆粒尺寸為10nm～500nm，材料體系包含密度大于5000kg/m³的金屬或無機納米顆粒，比如金納米顆粒(密度19000kg/m³)、銀納米顆粒(密度10500kg/m³)、鉛納米顆粒(密度11370kg/m³)、銅納米顆粒(8500kg/m³)、鈦酸鋇BaTiO₃納米顆粒(6000kg/m³)等。

優選的，所述的散射體的質量密度為750～850kg/m³，聲速為90～110m/s，半徑為35～45μm。