華中科技大學(xué)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)：研發(fā)用于無(wú)線監(jiān)測(cè)顱內(nèi)信號(hào)的注射超聲波傳感器

在這項(xiàng)工作中，作者提出了一種新的超介層超聲傳感材料，作者稱之為小型化元結(jié)構(gòu)水凝膠(metagel)，這是一種種柔軟的聲學(xué)超材料，并且在生物體內(nèi)能夠降解。以metagel作為植入物，可以通過(guò)外置超聲探頭無(wú)線監(jiān)測(cè)豐富的顱內(nèi)生理信號(hào)(壓力、溫度、pH值和流速)(圖1a)。設(shè)計(jì)metagel為2×2×2 mm3的立方體，使用傳統(tǒng)穿刺針輔助將其插入體內(nèi)(圖1b,c)。metagel在37℃的PBS溶液中在4個(gè)月內(nèi)自然降解(圖1d)。

metagel基于環(huán)境引起的微變形來(lái)感知顱內(nèi)環(huán)境。它包括水凝膠基質(zhì)和周期性氣柱，形成具有可調(diào)聲反射光譜的軟聲子晶體(圖1e)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了metagel非凡的聲學(xué)反射特性。當(dāng)超聲波發(fā)射時(shí)(峰值頻率為f0)，metagel以峰值頻率f1反射這些。顱內(nèi)環(huán)境變化引起元骨微變形，改變反射峰頻率(f1+Δf)。通過(guò)在水凝膠基質(zhì)上進(jìn)行刺激響應(yīng)功能化(壓力響應(yīng)、溫度響應(yīng)、ph響應(yīng)等)，metagel可以通過(guò)跟蹤反射超聲波的峰值頻移來(lái)跟蹤環(huán)境變化(圖1f)。

作者通過(guò)計(jì)算元板的能帶結(jié)構(gòu)，了解元板設(shè)計(jì)如何影響超聲反射率。當(dāng)晶格常數(shù)為a，填料直徑為d時(shí)，可以通過(guò)求解具有Bloch邊界的單個(gè)單元的特征值方程來(lái)計(jì)算metagel的帶隙。在a=0.28 mm和d=0.196 mm的情況下，metagel的聲帶隙以8.2和9.2 MHz為中心(圖1g)。當(dāng)頻率在這些帶隙范圍內(nèi)的超聲波傳輸?shù)皆鍟r(shí)，大部分能量將被反射，使元板很容易通過(guò)超聲成像加以區(qū)分。metagel的帶隙依賴于a和填充比(FR=d/a)(圖1)，因此，metagel變形引起的a和FR變化表現(xiàn)為帶隙變化。聲場(chǎng)的有限元模擬可以顯示由于metagel變形引起的反射峰頻移。未變形元板反射聲波的峰值頻率約為9.13 MHz(圖1j)，與圖1g的帶隙計(jì)算一致。由于生理環(huán)境的變化，元板發(fā)生變形，反射波的峰值頻率移至9.76 MHz(圖1k)。