托托科技3D光刻助力复旦Materials Horizons：非局域超构表面实现准表面超声，破解声疗穿透-安全难题

近日，复旦大学附属中山医院超声科、复旦大学未来信息创新学院及集成芯片与系统全国重点实验室等团队在《Materials Horizons》发表题为 “Quasi-surface ultrasound enabled by nonlocal metasurfaces resolves the penetration safety trade-off in sonotherapy” 的研究成果。该研究提出并验证了由非局域超构表面实现的准表面超声，将1 MHz入射平面波转化为沿界面横向传播、近表面强约束的声波模式，在增强透皮药物疗效、加速毛发再生的同时，显著降低深脑超声暴露。
在这一突破性研究中，托托科技高精度3D光刻设备及光敏树脂为关键非局域超构表面的制造提供了核心支撑，助力团队完成了从波态设计、实验验证到在体治疗评估的关键跨越。

研究背景：超声治疗的“穿透—安全”两难

超声因强穿透能力广泛用于深部组织成像与治疗。然而，对于皮肤、毛囊等局限于生物表面的疾病，这种强穿透反而成为负担：能量继续传入深层组织，造成脱靶暴露与安全风险。
传统方案中，降低强度或占空比会影响疗效；聚焦换能器、相控阵和波束调控仍基于前向体波传播；提高频率虽可增强衰减、降低穿透，但波长更短，对组织异质性和散射更敏感，有效作用区域也更窄。
因此，研究团队没有停留在参数优化，而是从传播波态本身入手，提出“准表面超声”新概念。

研究创新：用非局域超表面重构超声传播波态

研究团队没有停留在参数优化，而是直接改造超声的传播拓扑。他们设计了一种非局域双层超表面：离散树脂阵列覆盖硅胶层，单元内包含六个子结构。通过选择d=λ的衍射通道条件，让超表面形成“三端口”传输系统：抑制零阶前向体波透射，增强±1阶掠射模式，使能量沿界面横向传播，并在近表面干涉形成准表面超声场。

在1 MHz工作频率下，该超表面将常规前向传播场转化为表面局域模式，实现浅层能量集中与横向扩展传输，而不依赖频率提升或降低输入强度。

图1. 超表面实现的准表面超声的波态转换与传播特性。(a) 超表面将入射平面超声波转换为沿界面横向传播、约束于组织表面附近的准表面模式的概念示意。(b) 模拟产生的超声声压场。(c) 透射超声场的傅里叶谱。(d–f) 生物组织环境下有限孔径激励的模拟超声场。(g) 1 MHz平面波场的傅里叶谱。(h) 三种情形沿传播方向 z 的深度依赖平均超声强度曲线。(i) 三种情形在 z = 0 至 4 mm 深度范围内平均超声强度的横向分布。(j) 三种超声场的方向性对比。

托托科技织雀®系列高精度3D光刻：让复杂超表面精准成型

论文中的非局域超表面单元包含六个集合子结构，团队采用托托科技PL-3D-10高精度3D光刻设备，配合其光敏树脂W-03，进行了3×4 视场拼接 + 10 μm 超薄切片层厚打印，最终制成约 39 × 39 × 2 mm 的超表面骨架。

图2. 高分辨率 3D 打印制备的超表面样品照片。

该超表面是亚波长结构（子结构宽度最小 0.16 mm），还要求表面光滑无内部微气泡，加工精度和材料声学阻抗直接决定了实验能否复现模拟结果。

仿真与实验验证：从平面波到准表面超声

研究团队通过 COMSOL 仿真与水听器扫描实验验证了波态转换效果。结果显示，超表面作用下，透射场能量集中在近表面区域，并沿界面横向传播；波矢分布中kx分量显著增强，kz分量被强烈抑制。实验与仿真在中心线强度、深度平均强度等指标上趋势一致，证明非局域超表面能够稳定地将 1 MHz 平面波转换为准表面超声模式。

图3. 超表面实现的准表面超声的实验实现与验证。超表面情形下模拟 (b) 与实验测量 (c) 的超声强度场，均显示超声能量在表面附近的显著局域。模拟 (d) 与实验导出 (e) 的声压导出声强梯度场。(f, g) 模拟与实验的定量对比，包括沿传播方向 z 的中心线强度剖面与深度依赖平均强度剖面。

同时，声强梯度场也表现出明显的表面局域与横向分量，为后续经皮、浅表生物界面作用提供了有利的机械梯度线索。

体内疗效与安全性：浅表治疗增强，深部暴露降低

在 DHT 诱导的雄激素性脱发小鼠模型中，团队比较了准表面超声联合米诺地尔、单用米诺地尔和对照组。结果显示，准表面超声联合米诺地尔组在毛囊生长面积、毛发覆盖率、毛球直径和皮肤厚度等指标上表现更优，说明准表面超声增强了浅表治疗效果。

更重要的是，在脑部安全性方面，传统平面超声组海马区出现明显核固缩，NeuN 免疫荧光信号降低；而准表面超声组未观察到明显组织形态异常，海马神经元完整性更好。颅骨包含的声学仿真也进一步表明，准表面超声在维持浅表治疗暴露的同时，可显著降低颅内声暴露。

图4. 准表面超声在DHT诱导的雄激素性脱发小鼠模型中用于浅表毛发再生的在体疗效评价。(a) 动物实验方案示意图。(b) 不同时间点Quasi-surf US + MINX、MINX与对照组的代表性头皮照片及自动分割图。(c) 毛囊生长面积的定量分析。(d) 毛发再生面积的定量分析。

从结构设计到生物界面，托托科技助力前沿研究

该研究证明，非局域超表面可以编码超声传播拓扑，通过波态工程而非单纯频率缩放，从根本上缓解超声治疗中的穿透—安全权衡。托托科技的高精度3D光刻设备与光敏树脂，为复杂非局域超表面的可控制造提供了可靠支撑。

从超材料、超表面到微流道、微针、生物支架和微机械结构，托托科技织雀®系列高精度3D光刻设备正持续助力客户在生物医疗、声学、光学、微纳制造等前沿方向实现从“设计”到“验证”的跨越。

超高精度：托托科技提供1 , 2 , 5, 10 μm精度及多精度融合设备，灵活适配不同分辨率需求的科研与工业场景。

复杂结构一体化成型：无需组装，直接打印内部流道和微柱阵列，避免键合泄露风险。

材料兼容性广：支持多种光敏树脂及陶瓷前驱体，满足不同润湿性和力学性能需求。

快速交付：数小时内完成设计迭代，大幅缩短研发周期。

相关研究成果链接：https://pubs.rsc.org/mh/article-abstract/doi/10.1039/D6MH01178K/1361294/Quasi-surface-ultrasound-enabled-by-nonlocal