[发明专利]一种偶极共振增强的双负型声学超材料及其应用

说明书

本发明公开了一种偶极共振增强的双负型声学超材料：所述的偶极共振增强的双负型声学超材料包括作为基体的超声耦合剂和分散在基体中用于发生米氏共振的散射体，所述散射体为添加高密度纳米颗粒的多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球PEGDA。本发明还公开了上述双负型声学超材料在颅脑超声成像和高强度聚焦超声治疗上的应用。本发明提供的双负型声学超材料可以在1.08～1.32MHz较宽频率范围下实现强的单极共振和偶极共振，从而同时获得负等效质量密度和负等效弹性模量，在颅脑超声成像和高强度聚焦超声治疗等医学领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于声学超材料领域，特别涉及一种偶极共振增强的双负型声学超材料及其应用。

背景技术

超材料是一类由亚波长结构单元构成的具有超常物理特性的人工周期性材料。由于其结构尺度远小于工作波长，无法被声波分辨，因此可视为均质材料并用等效参数来描述。通过巧妙设计超材料的结构单元，可以精确操控声波的传输方向，从而实现常规材料所不具备的独特功能，例如负折射、负反射、声隐形等，在军事隐形、减振降噪、医学成像等领域具有广阔的应用前景。

米氏共振是基于米氏理论提出的共振米氏散射，要求材料具有相对于环境的高折射率，产生一系列米氏共振，从而获得自然材料所不具备的负指数。反映到声学领域，根据折射率n＝c/v(其中，n为折射率，c为环境基质的声速，v为散射体的声速)，要求声波在散射体结构中的声速远小于在环境基质中传播的声速，使偶极共振贡献负等效质量密度，单极共振贡献负等效模量。然而，目前基于多孔硅胶微球或多孔水凝胶微球的声学超材料的偶极共振普遍较弱，很难在较宽频率下同时获得双负声学参数。如公开号为CN111261135A公开了一种基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料。

因此，如何在较宽频率下同时获得双负声学参数是目前本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偶极共振增强的双负型声学超材料，能够在较宽频率下同时实现负等效质量密度和负等效模量，有效消除颅骨对声波的散射和畸变作用，实现穿颅超声成像和穿颅高强度聚焦超声治疗等。

本发明提供如下技术方案：

一种偶极共振增强的双负型声学超材料，所述的双负型声学超材料包括作为基体的超声耦合剂和分散在基体中用于发生米氏共振的散射体，所述散射体为添加高密度纳米颗粒的多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球PEGDA。

本发明的构思在于：通过在多孔水凝胶微球中添加适量的高密度纳米颗粒，由于纳米颗粒尺寸很小，在提高多孔水凝胶微球质量密度的同时几乎不影响微球的弹性模量，根据(其中，c为声速，M为弹性模量，ρ为质量密度)，添加高密度纳米颗粒的多孔水凝胶微球的声速可以继续降低，从而相对于超声耦合剂基体的声速区别更大，米氏共振增强。根据变换声学理论和等效介质理论，与颅骨参数匹配的双负型声学超材料可以有效抵消颅骨对超声的强烈散射，从而有望实现穿颅超声成像和穿颅高强度聚焦超声治疗等。

优选的，所述的散射体微球在基体中的体积分数为15～25％。

优选的，所述的超声耦合剂的密度为900～1100kg/m³，声速为1400～1600m/s。

优选的，所述的高密度纳米颗粒尺寸为10nm～500nm，材料体系包含密度大于5000kg/m³的金属或无机纳米颗粒，比如金纳米颗粒(密度19000kg/m³)、银纳米颗粒(密度10500kg/m³)、铅纳米颗粒(密度11370kg/m³)、铜纳米颗粒(8500kg/m³)、钛酸钡BaTiO₃纳米颗粒(6000kg/m³)等。

优选的，所述的散射体的质量密度为750～850kg/m³，声速为90～110m/s，半径为35～45μm。