模仿生物自愈功能，研製具有自我療傷功能的新型器件，一直是智能材料與器件領域大家關注的熱點。華中科技大學Zhu Benpeng教授和武漢大學Wang Ziyu研究員合作，將自修復材料應用於光致超聲換能器研究，首次賦予了超聲換能器自修復的功能。這裡涉及的光致超聲換能器是一種有機無機複合的器件，其中，無機材料主要負責光吸收，而有機材料主要負責熱膨脹。將自我療傷功能集成於光致超聲換能器，可有效延長超聲器件的使用壽命，有望解決傳統醫用大功率超聲換能器（壓電型）受損後無法再使用的問題。該研究團隊結合理論與實驗，對有機和無機材料選擇、換能器的製備工藝和結構設計進行了詳細的分析，並且將自修復超聲器件成功應用於溶栓演示實驗。該研究工作不僅為智能醫學超聲提供了必要的技術儲備，而且為下一代醫療設備的開發和研製提供了新思路。論文以Self-healing：a new skill unlocked for ultrasound transducer為題，發表在《Nano Energy》期刊，華中科技大學博士生
Li Jiapu和聖地亞哥州立大學機械工程學院助理教授 Yang Yang為共同第一作者。合作者有華中科技大學Yang Xiaofei教授和南加州大學Chen Yong 教授。 圖1.（A）自修復材料的製備過程。（B-C）從電學角度驗證自修復材料的自愈性能。（D）原始樣品和已修復樣品在不同癒合時間下的應變-應力曲線。
在這項工作中，使用了在室溫下並且不需要外界刺激，只需機械接觸就可實現自修復的材料。為了使這種自修復材料具有更強的光聲特性，選取了特殊尺寸的碳納米管作為光吸收材料。接著分別從材料的導電性能變化、電阻變化及力學性能變化，驗證自修復材料加了碳納米管後仍具有較強的自修復性能。
圖2.（A）自修復光聲換能器示意圖，I型光聲換能器（自修複復合材料/玻璃襯底）和II型光聲換能器（自修複復合材料/PDMS/玻璃襯底）；（B）不同溶度碳納米管的光聲換能器的吸光度及自修復性能對比；（C）不同結構不同碳納米管濃度的光聲換能器峰值聲壓與激光能量密度的關係；I型（D）和II型（E）光聲換能器聲壓的仿真和實驗結果比較。
在驗證自修復材料中加了碳納米管後仍具有較強的自修復性能後。對換能器的結構和所加碳納米管的溶度進行了分析。對此，提出了兩種結構；這兩種結構的區別在於是否存在PDMS輔助層。在這兩種結構的基礎上研究了不同碳納米管溶度對光聲換能器光吸收及自修復性能的影響，發現當碳納米管和自修復材料的質量比為10.0wt%時，能同時兼顧良好的光吸收和自修復性能。在確定了碳納米管的比例後，對兩種結構的光聲換能器進行了測試，發現具有PDMS輔助層的結構具有更強的聲壓；這是由於PDMS具有更高的熱膨脹係數，當光從玻璃襯底入射到自修復光聲換能器表面時具有PDMS輔助層的結構能產生更強的熱彈效應。進一步通過理論分析的角度也說明了結構II的換能器具有更強的聲壓。
圖3.（A）激光產生的超聲信號傳播過程示意圖；F：前向波；B：後退。（B）超聲干擾過程的示意圖，包括超聲發射，超聲反射和超聲干擾。PDMS層厚度對聲學性能的影響的理論（C）和實驗（D）分析。
輔助層具有增強光聲換能器聲壓的作用，但同時也將對超聲波產生延時，不同的延時效果將影響聲波的疊加，導致的結果是即有可能產生聲波疊加增強也有可能產生聲波疊加相消。因此，合理控制延時時間可調製聲波疊加的效果；當輔助層的厚度為40μm時聲波具有較好的疊加效果，即能獲得更強的聲壓。
圖4.（A）模擬的聚焦聲場及其峰值壓力。（B）和（C）聚焦超聲壓碎豆腐和溶栓前後的對比。（D）自修復後不同時間聚焦超聲對血凝塊的溶栓作用。
最後，將自修復光聲換能器做成聚焦結構，目的是使聲能量分佈更加集中，產生更強的聲壓。基於高強度聚焦超聲（HIFU）的空化效應，將這個HIFU作用於豆腐塊，發現該換能器產生的空化效應能將豆腐塊擊碎，然後再將該HIFU作用於動物血塊，並實現了對凝血塊的溶栓，這將為臨床研究心血管疾病提供技術儲備。
論文信息：
Jiapu Li1, Yang Yang1, Zeyu Chen, Shuang Lei, Maokang Shen, Tao Zhang,Xuekai Lan, Yijie Qin, Jun Ou-Yang, Xiaofei Yang, Yong Chen, Ziyu Wang,* Benpeng Zhu*. Self-healing：a new skill unlocked for ultrasound transducer. Nano Energy 68 (2020) 104348.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285519310559
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