CN113574108A - 用于超声成像中的半硬质声耦合介质的水凝胶组合物 - Google Patents

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Abstract

公开了用于为超声诊断和治疗技术提供声耦合介质的半硬质水凝胶材料的组合物和制品。在一方面中，用于声耦合介质的水凝胶材料包括海藻酸钠嵌段共聚物、二甲基丙烯酰胺单体和水。在一些实施中，基于水凝胶组合物的总重量，海藻酸钠嵌段共聚物以约0.5重量％至约25重量％的量存在，二甲基丙烯酰胺单体以约1重量％至约40重量％的量存在，并且水以至少约50重量％的量存在。

Description

用于超声成像中的半硬质声耦合介质的水凝胶组合物
对相关申请的交叉引用
本专利文件要求2019年2月13日提交的题为“HYDROGEL COMPOSITION FOR ASEMI-RIGID ACOUSTIC COUPLING MEDIUM IN ULTRASOUND IMAGING”的美国临时专利申请No.62/805,306的优先权和权益。将前述专利申请的全部内容通过引用引入作为本专利文件的公开内容的一部分。
技术领域
本专利文件涉及可用于超声成像的声耦合介质的组合物、制品和方法。
背景技术
声成像是采用声波穿过介质以呈现可视图像的性质的成像模式(方式)。高频声成像已在各种各样的生物医学领域中被用作成像模式数十年来察看动物和人的内部结构和功能。用在生物医学成像中的高频声波可以不同的频率例如在1和20MHz之间、或者甚至更高的频率工作，并且经常被称为超声波。使用常规的超声成像技术，一些因素(包括不足的空间分辨率和组织分化)可导致不尽如人意的图像品质，这可限制其用于许多临床适应症或应用。
发明内容
公开了用于为超声诊断和治疗技术提供声耦合介质的半硬质水凝胶材料的组合物和制品。在一些方面中，半硬质水凝胶材料包括海藻酸钠嵌段共聚物和二甲基丙烯酰胺单体。
在根据所公开技术的一些方面中，半硬质声耦合介质包括水凝胶材料，所述水凝胶材料包括：海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水。
在根据所公开技术的一些方面中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约25.00重量％的量存在，DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在，并且水以至少约50.00重量％的量存在。
在根据所公开的技术的一些方面中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在，DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在，并且水以至少约75.6重量％的量存在。
在根据所公开技术的一些方面中，水凝胶组合物包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)，其中DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。
在根据所公开技术的一些方面中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))，其中P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。
本专利文件中描述的主题可以提供以下特征一个或多个的特定方式实施。
附图说明
图1A和1B显示说明呈现出缺乏对患者的皮肤的适形性(贴合性)的常规声耦合剂的图解。
图2显示说明常规的声耦合剂的图解，所述常规的声耦合剂可由在耦合介质的界面和患者的皮肤之间产生硬质间隙的聚合物构成。
图3A-3D描绘根据本公开内容的实例实施方式的水凝胶界面垫(HIP)的示例性组分的化学结构。
图4A-4C描绘根据本公开内容的实例实施方式的HIP的聚合物链的化学结构。
图4D描绘示例性聚合物网络，其突出根据本公开内容的实例实施方式的HIP的聚合物链之间的离子-离子结。
图5A显示描绘在应力区域#1、#2和#3处的经历裂纹传播测试的本公开内容的示例性HIP的示意图。
图5B-5D分别显示图5A的应力区域#1、#2和#3处的示例性HIP的更详细的示意图。
图6A和6B显示描绘超级聚集体(超聚集)水凝胶的图解。
图7A和7B显示描绘弱的、脆的水凝胶的图解。
图8显示说明声传输穿过实例HIP进入包含均质体的非均质基底中的示意图。
图9显示在用于评价耦合剂的声学和机械性质的实例实施中使用的包括根据本技术的实例HIP的实例声耦合剂的图像。
图10A-10F显示在机械应力下的实例HIP的图像。
图11显示实例离子交联的实例HIP的图像。
图12显示描绘用于合成根据本技术的水凝胶组合物(其可用于生产HIP)的方法的实例实施方式的说明性图解。
图13描绘包含95％水的水凝胶网络和相应的电子显微镜图像。
具体实施方式
声成像可通过如下进行：在物理弹性介质例如生物介质(包括组织)内发射声波形(例如，脉冲)。声波形从(例如，换能器元件的阵列的)换能器元件朝着感兴趣的目标体积(VOI)传输。在介质中的声波形朝着目标体积的传播可遇到如下结构：其导致声波形变成部分地从在两种介质(例如，不同的生物组织结构)之间的边界被反射且部分地被传输。所传输的声波形的反射可取决于在两种介质之间(例如，在两种不同的生物组织类型之间的界面处)的声阻抗差异。例如，所传输的声波形的声能的一些可在所述界面处被散射回换能器以被接收，并且被处理以提取信息，而剩余部分可继续行进且到达下一介质。在一些情况中，反射的散射可由于包含在充当散射中心的反射性介质中的两个或更多个阻抗而发生。另外，例如，声能可基于介质的性质和/或声波的本质而被折射、衍射、延迟、和/或减弱。
对于声波形朝着目标体积的传播，声波速度和声阻抗差异可存在于换能器和用于接收声波形的介质(例如，被称为接收介质)之间的界面处，其可干扰用于成像、距离多普勒测量、组织表征(例如，声辐射力脉冲-ARFI)、或治疗应用的声信号的传输。由于不同的两种介质的材料性质(例如，材料密度)和声波速度，导致声阻抗差异，使得显著量的所发射的声能将在界面处被反射，而不是全部被传递跨越界面。在典型的声(例如，超声)成像或治疗应用中，例如，将传输凝胶在换能器将接触的界面处施加至接收介质(即，对象的皮肤)以改善声波形从换能器到身体的传递和从身体返回到换能器的声波形的接收。在没有超声凝胶的这样的应用中，界面可包括空气作为在接收介质(例如，活的皮肤组织)和换能器之间的介质的成分，并且在换能器到空气和空气到身体的不连续性方面的声阻抗失配导致所发射的声能的散射(例如，反射)。
尽管在减小在界面处的声阻抗差异方面有相对良好的成功，但是当被分配在VOI上时，声传输凝胶可含有微小包的空气，其可干扰声信号的传输。另外，许多患者抱怨关于使用分配在他们的皮肤上的凝胶的不适，例如，诸如温度、粘着性、或其它。然而，更值得关心的是，声传输凝胶可在生产或储存期间变成被污染的，其已经导致在一些患者中的感染。对于在其皮肤上在待放置换能器的位置处具有毛发的对象，这些对象典型地必须剃(刮)掉或以其它方式除去加剧在皮肤和凝胶之间的空气的俘获的外部毛发。
对于相对于界面的声波的非法线的(非正常的)入射角，声波速度的差异可导致声波的折射。在界面处的声波速度差异导致纵向声波的传播路径作为入射角和在界面的任意侧的声波速度的函数根据斯涅耳(Snell)定律折射或改变方向。当所述波在非均质材料中传播时的无穷小量的折射的累积导致声波的路径的折曲或弯曲。
由于常规的超声(US)成像假定声波以直线行进，因此由于其对于在用于传输和接收两者的空间中的声波形的到达时间和位置所产生的不确定性，沿着声路径的折射导致所得图像的劣化和失真。与在界面处的声波速度匹配的材料显著降低折射效应，导致更清楚的和不太模糊的图像。另外，到处(全部)具有均匀的声波速度的半硬质材料将使在所述材料内的声波路径的弯曲的可能性最小化。
当与X射线、计算机化断层摄影术(CT)、和磁共振成像(MRI)技术相比时，超声成像由于便携性、多解剖学目标模式、安全性、和相对低的成本而在医学成像界中获得了关注。一些模式完全聚焦于心脏病学并且可产生跳动着的心室的4D图像。另外的模式为计算通过肝脏和脾中的微小的小体(细胞，corpuscular)毛细管的流体流动的专用计算器，而另外的模式简单地使用US为通用机器。不管应用的窄或宽，所有的US机器都遭受由传统的超声设计产生的相同的限制，即，在深度处的图像品质的损失和低的近场分辨率。尽管图像深度主要取决于阵列设计和换能器频率，但是模糊的近场是在换能器界面和患者界面之间的大的阻抗失配差异和换能器的焦点的结果。
近场卷积是在许多US诊断技术中遇到的烦恼，尤其是对于在薄的、强健的皮肤和组织遮蔽物下面紧紧地结合在一起的作为腱、流体、骨骼、和肌肉的束的滑膜关节。这是普遍存在的问题，并且许多临床医师已经采取用自来水填充丁腈橡胶手套以充当便携式的准水浴，其兼作为支架(standoff)，例如，在换能器界面和患者界面之间提供距离的任何声耦合材料。简单的、有成本效益的、和快速实施的该技巧对于用线性阵列产生快的非内脏US图像是足够好的解决方案。
图1A和1B显示说明呈现出缺乏对患者的皮肤的适形性的声耦合剂例如常规的水球耦合剂的图解。如图1A中所示，在该实例中，水球耦合剂包括聚合物球外部膜，其将脱气的水(例如，脱气的去离子(DI)水)包围在所述聚合物外部膜内。俘获在所述外部膜内的脱气的水在所述外部膜的内表面上提供压力，使得水球耦合剂的形状由施加在水球上的外部力限定——在该实例中，外部力包括由与水球耦合剂接触的平坦表面施加的法向力(FN)和来自外部环境的外力(FL)。水球耦合剂的外部膜典型地是柔性的，并且可弯曲以试图适应弯曲的表面，如由图1B中的图解所示。然而，这样的弯曲典型地在沿着所述外部膜的转折点(拐点)处和在水球耦合剂的流体性内部中产生夹带的空气并且变皱。
此外，对于非线性阵列和非平面表面，技术问题对于简单的水球而言变得太有挑战性而不能解决。以用于声相干断层摄影术(ACT)的半圆形阵列为例，其具有在多VOI检查期间需要结合至一片多样化的患者界面几何结构的若干阵列元件。关于水球的第一个挑战是使管状的几何结构扭曲以结合至换能器界面而不在患者界面上变皱，如图1中所示。皱纹将俘获空气，所述空气在具有亮点的US图像中看起来像彗星，其遮蔽(shadow out)解剖学特征并且产生伪影(artifact)。即使一些密耳厚的(例如，0.001英寸厚的)聚合物膜被设计成适应所述阵列而没有变皱，水球仍然缺乏在单个检查中扫描多个解剖学目标所需要的适形性，因为水是半不可压缩的流体(k＝46.4×10-6atm-1)且适用容积守恒原理。
对于具有厚的壁、高的杨氏模量、和低的失效前应变的聚合物，在水球的换能器侧上的负荷被直接传输到患者界面，而没有将所述负荷分散在较大的表面区域上和没有与非对称的患者几何结构适形。低的弹性模量、高的失效前应变、和薄壁的聚合物可变形得更多，但不是足够适形性的，无法桥接在刚性的、对称的换能器界面和不对称的、可变形的患者界面之间的大的间隙，并且在检查期间更倾向于爆裂和滚动，如图2中所示。
图2显示说明常规的声耦合剂例如水球耦合剂的图解，其由在耦合介质的界面和患者的皮肤之间产生刚性间隙的聚合物构成。图解200A显示与表面接触的实例水球声耦合剂，说明在施加的外部的来自与所述耦合剂接触的表面的力(法向力FN)和来自周围环境的力(FL)之间的在水球耦合剂上的最大压缩。图解200B显示包括在接触表面之间产生间隙的外聚合物膜中的脊的实例水球声耦合剂，还显示最大扩展(膨胀)下的实例水球声耦合剂。图解200C显示与目标体积(例如，患者的身体部分的皮肤)接触的实例水球耦合剂，说明水球耦合剂如何由于在目标的轮廓中的变化和/或断片而可在所述耦合剂和目标体积之间具有间隙。
需要更加适形性的和耐久性的支架，因此薄的、半固体的水凝胶冰球形块(puck)或片(例如，～1.0至1.5cm)已被开发以适应传统的在近场中的US成像。这些水凝胶冰球形块或片支架目的在于对于线性阵列使在刚性的、对称的换能器界面和不对称的、适形性的患者界面之间的阻抗失配最小化。比水球更加适形性的、薄的水凝胶片可沿着平坦的表面填充在断片(divot)和陡坡(escarpment)中，并且形成兼收并蓄的弯曲的形貌。另外，取决于水凝胶化学性质(组成)和形态，水凝胶可对于长时间的静态US诊断扫描为粘着性的，或者当在压力下进行短的动态扫描时经由脱水收缩产生润滑层。
然而，尽管有比水球大的适形性，但是在目前市场上的水凝胶具有大的体积模量，其在厚度增加时使水凝胶刚性增加。与低的断裂韧性和对羟基苯甲酸酯类(paraben)防腐剂结合，硬性和脆性、裂纹传播容易、和健康安全性的不明确性使水凝胶支架在如下应用中是无用的：其中对于非线性阵列、像前述ACT半圆形阵列，需要厚的(例如，>2cm)、坚韧的、和适形性的半硬质支架。
公开了用于为超声技术提供声耦合介质的半硬质水凝胶材料的组合物和制品。根据本文中公开的实施方式的水凝胶耦合介质的使用相对于常规的耦合介质例如水浴和支架像水袋以及冰球形块或片水凝胶提供优势，例如，包括，但不限于，提供优越的声学和机械性质，以及实现低的制造成本、快的生产速度和最小化的过剩。
在一些方面中，所公开的半硬质水凝胶包括具有形成精细的几何结构和俘获水至高的百分数(例如，85％或更大)的能力的工程化的聚合物网络，其提供在超声换能器元件和目标生物体积之间的声阻抗匹配。所公开的水凝胶基于它们的低成本制造、同时的灭菌和固化步骤、稳定的储存和生物相容性在它们的制造、分布(分派)和应用方式方面提供了额外的优势。
还公开了用于硬质水凝胶材料的组合物和制品，所述硬质水凝胶材料提供可用于一些超声技术和应用的声耦合介质，例如，特别地作为用于成像的在平坦的换能器阵列和目标体积的平坦表面之间的声耦合剂。
实例水凝胶组合物
在根据本技术的一些实施方式中，水凝胶的组合物包括单体、嵌段共聚物、分散相、共价交联剂、阳离子交联剂、催化剂和/或自由基引发剂。
所述单体的作用是用作水凝胶的初级结构网络。在一些实施方式中，所述单体为丙烯酰胺。丙烯酰胺单体的非限制性实例包括二甲基丙烯酰胺(DMA)、二乙基丙烯酰胺(DEAA)、苯基丙烯酰胺、叔丁基丙烯酰胺、十八烷基丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、或二苯基甲基丙烯酰胺。
在一些实施方式中，所述单体以水凝胶组合物的总重量的约1重量％至约40重量％、约10重量％至约40重量％、约20重量％至约40重量％、约30重量％至约40重量％、约1重量％至约10重量％、约1重量％至约5重量％、约1重量％至约15重量％、约1重量％至约20重量％、约1重量％至约30重量％、约10重量％至约20重量％、约10重量％至约30重量％、约10重量％至约15重量％、约15重量％至约20重量％、约15重量％至约30重量％、约15重量％至约40重量％、约20重量％至约30重量％、或约20重量％至约40重量％的量存在。在一些实施方式中，所述单体是DMA，其以水凝胶组合物的总重量的约1重量％至约40重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述单体以水凝胶组合物的总重量的约1重量％至约10重量％、约1重量％至约15重量％、约2重量％至约10重量％、约2重量％至约15重量％、约3重量％至约10重量％、约3重量％至约15重量％、约4重量％至约10重量％、约4重量％至约15重量％、约5重量％至约10重量％、约5重量％至约15重量％、约6重量％至约10重量％、约6重量％至约15重量％、约7重量％至约10重量％、约7重量％至约15重量％、约8重量％至约10重量％、约8重量％至约15重量％、约9重量％至约10重量％、或约9重量％至约15重量％的量存在。在一些实施方式中，所述单体是DMA，并且以水凝胶组合物的总重量的约3.3重量％至约14.83重量％的量存在。
所述嵌段共聚物的作用是提供水凝胶的二级接枝牺牲网络。在一些实施方式中，所述嵌段共聚物为海藻酸盐(酯)。海藻酸盐(酯)的非限制性实例包括海藻酸钠(SA)、海藻酸钾、海藻酸钙、海藻酸铵、低乙酰化的结冷胶、高乙酰化的结冷胶、改性淀粉、琼脂、k-卡拉胶、I-卡拉胶、低甲氧基果胶、高甲氧基果胶、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、纤维素/明胶、或丙二醇海藻酸酯。
在一些实施方式中，所述嵌段共聚物以水凝胶组合物的总重量的约0.5重量％至约25重量％、约0.5重量％至约20重量％、约0.5重量％至约15重量％、约0.5重量％至约10重量％、约0.5重量％至约5重量％、约0.5重量％至约1重量％、约1重量％至约25重量％、约1重量％至约20重量％、约5重量％至约15重量％、约5重量％至约10重量％、约10重量％至约25重量％、约10重量％至约20重量％、约10重量％至约15重量％、约15重量％至约25重量％、或约15重量％至约20重量％的量存在。在一些实施方式中，嵌段共聚物是SA并且以水凝胶组合物的总重量的约0.5重量％至约25重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述嵌段共聚物以水凝胶组合物的总重量的约0.1至约10重量％、约0.1至约8重量％、约0.1重量％至约6重量％、约0.1重量％至约4重量％、约0.1重量％至约2重量％、约0.2重量％至约10重量％、约0.2重量％至约8重量％、约0.2重量％至约6重量％、约0.2重量％至约4重量％,约0.2重量％至约2重量％、约0.3重量％至约10重量％、约0.3重量％至约8重量％、约0.3重量％至约6重量％、约0.3重量％至约4重量％、约0.3重量％至约2重量％、约0.4重量％至约10重量％、约0.4重量％至约8重量％、约0.4重量％至约6重量％、约0.4重量％至约4重量％、约0.4重量％至约2重量％、约0.5重量％至约10重量％、约0.5重量％至约8重量％、约0.5重量％至约6重量％、约0.5重量％至约4重量％、或约0.5重量％至约2重量％的量存在。在一些实施方式中，嵌段共聚物是SA并且以水凝胶组合物的总重量的约0.51重量％至约5.53重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述分散相为水(例如，去离子水)。在一些实施方式中，所述分散相以水凝胶组合物的总重量的至少约40重量％、至少约50重量％、至少约60重量％、70重量％、至少约75重量％、至少约80重量％、至少约85重量％、至少约90重量％、或至少约95重量％的量存在。在一些实施方式中，所述分散相为水并以水凝胶组合物的总重量的至少约50重量％的量存在。在一些实施方式中，所述分散相为水并以水凝胶组合物的总重量的约75.65重量％至约95.98重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述共价交联剂为丙烯酰胺。丙烯酰胺共价交联剂的非限制性实例包括N’,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、双丙烯酰胺、亚乙基双丙烯酰胺、哌嗪二丙烯酰胺、或乙二醇双丙烯酰胺。
在一些实施方式中，所述共价交联剂以水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约10重量％、约0.04重量％至约9重量％、约0.04重量％至约8重量％、约0.04重量％至约7重量％、约0.04重量％至约6重量％、约0.04重量％至约5重量％、约0.04重量％至约4重量％、约0.04重量％至约3重量％、约0.04重量％至约1重量％、约1重量％至约10重量％、约2重量％至约10重量％、约3重量％至约10重量％、约4重量％、to约10重量％、约5重量％至约10重量％、约6重量％至约10重量％、约7重量％至约10重量％、约8重量％至约10重量％、或约9重量％至约10重量％的量存在。在一些实施方式中，所述共价交联剂为MBA并以水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约10重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述共价交联剂以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约5重量％、约0.01重量％至约4重量％、约0.1重量％至约3重量％、约0.02重量％至约5重量％、约0.02重量％至约4重量％、约0.02重量％至约3重量％、约0.02重量％至约2重量％、约0.03重量％至约5重量％、约0.03重量％至约4重量％、约0.03重量％至约3重量％、约0.3重量％至约2重量％、约0.04重量％至约5重量％、约0.04重量％至约4重量％、约0.04重量％至约3重量％、约0.04重量％至约2重量％、约0.05重量％至约5重量％、约0.05重量％至约4重量％、约0.05重量％至约3重量％、约0.05重量％至约2重量％、约0.05重量％至约5重量％、约0.05重量％至约4重量％、约0.05重量％至约3重量％、或约0.05重量％至约2重量％的量存在。在一些实施方式中，所述共价交联剂为MBA并以水凝胶组合物的总重量的约0.041重量％至约3.43重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述阳离子交联剂为单价、二价、三价金属。例如，阳离子交联剂可为过渡金属、碱金属、或碱土金属，其中所述金属为1+、2+、或3+氧化态。在一些实施方式中、所述阳离子交联剂为锂、钠、钾、镁、钙、锌、锆、铁、钴、镍、钛、或铜。在一些实施方式中，所述阳离子交联剂为任何单价、二价或三价盐的形式。例如，在一些实施方式中，所述阳离子交联剂为任何硫酸盐、磷酸盐、氯化物、溴化物、三氟甲磺酸盐、胺、或羧酸盐。在一些实施方式中，所述阳离子交联剂为硫酸钙(CA)、磷酸钙、氯化钙、溴化钙、或三氟甲磺酸钙。
在一些实施方式中，所述阳离子交联剂以水凝胶组合物的总重量的约0.1重量％至约0.5重量％、约0.1重量％至约0.6重量％、约0.1重量％至约0.7重量％、约0.01重量％至约0.8重量％、约0.01重量％至约0.9重量％、或约0.01重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述阳离子交联剂为CA并以水凝胶组合物的总重量的约0.14重量％至约0.23重量％的量存在。
所述催化剂的作用是促进和/或提高形成水凝胶组合物的化学反应的速率。在一些实施方式中，所述催化剂为胺。胺催化剂的非限制性实例包括脂族胺、N’,N’,N,N-四甲基乙二胺(TMED)、苄基二甲基胺、甲基胺、或三乙胺。
在一些实施方式中，所述催化剂以水凝胶组合物的总重量的约0.004重量％至约1.00重量％、约0.004重量％至约0.9重量％、约0.004重量％至约0.8重量％、约0.004重量％至约0.7重量％、约0.004重量％至约0.6重量％、约0.004重量％至约0.5重量％、约0.004重量％至约0.4重量％、约0.004重量％至约0.3重量％、约0.004重量％至约0.2重量％、约0.004重量％至约1重量％、0.01重量％至约1重量％、约0.1重量％至约1重量％、约0.2重量％至约1重量％、约0.3重量％至约1重量％、约0.4重量％至约1重量％、约0.5重量％至约1重量％、约0.6重量％至约1重量％、约0.7重量％至约1重量％、约0.8重量％至约1重量％、或约0.9重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述催化剂为TMED并且以水凝胶组合物的总重量的约0.004重量％至约1重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述催化剂以水凝胶组合物的总重量的约0.001重量％至约0.05重量％、约0.001重量％至约0.06重量％、约0.001重量％至约0.07重量％、约0.001重量％至约0.08重量％、约0.001重量％至约0.09重量％、或约0.001重量％至约0.1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述催化剂为TMED并且以水凝胶组合物的总重量的约0.004重量％至约0.08重量％的量存在。
所述自由基引发剂的作用是产生引发水凝胶组合物的聚合物网络的形成的自由基。自由基引发剂的非限制性实例包括过硫酸铵(APS)、核黄素-5’-磷酸酯(盐)、核黄素-5’-磷酸钠、过氧化物例如二烷基过氧化物、氢过氧化物、二酰基过氧化物、或偶氮化合物(即，-N＝N-部分)。在一些实施方式中，所述引发剂为光引发剂。光引发剂的非限制性实例包括(2,4,5-三甲基苯甲酰基)苯基次膦酸乙酯(TPO-L)、双酰基膦氧化物(BAPO)、2-羟基-2-甲基苯丙酮、苯甲酰甲酸甲酯、4-(二甲基氨基)苯甲酸异戊酯、4-(二甲基氨基)苯甲酸2-乙基己基酯、或二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦氧化物(TPO)。合适的光引发剂的额外的非限制性实例包括1-羟基环己基苯基酮(Irgacure 184)、2,2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯(Irgacure 651)、和2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮(Irgacure 907)、羟基乙酰苯、膦氧化物、二苯甲酮、和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂(LAP)。
在一些实施方式中，所述引发剂以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1重量％、约0.01重量％至约0.9重量％、约0.01重量％至约0.8重量％、约0.01重量％至约0.7重量％、约0.01重量％至约0.6重量％、约0.01重量％至约0.5重量％、约0.01重量％至约0.4重量％、约0.01重量％至约0.3重量％、约0.01重量％至约0.2重量％、约0.01重量％至约0.1重量％、约0.02重量％至约1重量％、约0.03重量％至约1重量％、约0.04重量％至约1重量％、约0.05重量％至约1重量％、约0.06重量％至约1重量％、约0.07重量％至约1重量％、约0.08重量％至约1重量％、约0.09重量％至约1重量％、或约0.1重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述引发剂为APS并以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述引发剂以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约0.05重量％、约0.01重量％至约0.06重量％、约0.01重量％至约0.07重量％、约0.01重量％至约0.08重量％、约0.01重量％至约0.09重量％、约0.01重量％至约0.1重量％、0.02重量％至约0.15重量％、约0.02重量％至约0.16重量％、约0.02重量％至约0.17重量％、约0.02重量％至约0.18重量％、约0.02重量％至约0.19重量％、约0.01重量％至约0.2重量％、或约0.02重量％至约0.25重量％的量存在。在一些实施方式中，所述引发剂为APS并以水凝胶组合物的总重量的约0.02重量％至约0.24重量％的量存在。
在一些实施方式中，所述水凝胶包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)、海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、和水。在一些实施方式中，所述水凝胶组合物进一步包括MBA、TMED、CA、和APS。在一些实施方式中，所述DMAm以水凝胶组合物的总重量的约3.3重量％至约14.83重量％的量存在；并且在一些实施方式中，所述DMAm以约8.3重量％至约9.8重量％的量存在。例如，DMA浓度可被设计以影响弹性和适形性。在一些实施方式中，所述P(SA)以水凝胶组合物的总重量的约0.52重量％至约5.53重量％的量存在。在一些实施方式中，所述MBA以水凝胶组合物的总重量的约0.041重量％至约3.44重量％的量存在。在一些实施方式中，所述TMED以水凝胶组合物的总重量的约0.004重量％至约0.02重量％的量存在。在一些实施方式中，所述CA以水凝胶组合物的总重量的约0.14重量％至约0.23重量％的量存在。在一些实施方式中，所述APS以水凝胶组合物的总重量的约0.0198重量％至约0.235重量％的量存在。在一些实施方式中，水凝胶进一步以水凝胶组合物的总重量的约75.65重量％至约95.98重量％的量包括水(例如脱气的水)。
在一些实施方式中，所述水凝胶包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)、海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、和水。在一些实施方式中，MBA、TMED、CA、和APS。在一些实施方式中，所述DMAm以水凝胶组合物的总重量的约3.3重量％至约14.83重量％的量存在；并且在一些实施方式中，所述DMAm以约1重量％至约40重量％的量存在。例如，DMA浓度可被设计以影响弹性和适形性。在一些实施方式中，所述P(SA)以水凝胶组合物的总重量的约0.5重量％至约25重量％的量存在。在一些实施方式中，所述MBA以水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约10重量％的量存在。在一些实施方式中，所述TMED以水凝胶组合物的总重量的约0.004重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述CA以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，所述APS以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1重量％的量存在。在一些实施方式中，水凝胶进一步以水凝胶组合物的总重量的至少约50重量％的量包括水(例如脱气的水)。
在一些实例实施方式中，所述水凝胶组合物可形成为水凝胶界面垫，其以其他成分(例如，P(SA)或DMAm)为代价包括超过91重量％的水，以产生更易碎的水凝胶垫，例如，包括95重量％的水的水凝胶界面垫。
水凝胶界面垫(HIP)的实例实施方式
在各种实施方式中，实例水凝胶组合物可以半硬质垫(在本文中称为水凝胶界面垫(HIP))配置。在本公开内容的一些示例性实施方式中，HIP由两种水溶性聚合物网络组成：初级(1°)支架(scaffold)和二级(2°)牺牲接枝物。
图3A-3D描绘实例HIP的组分的化学结构。图3A是DMA的化学结构，和图3B是MBA的化学结构。1°支架由经由自由基乙烯基加成聚合并通过如图3D中所示的MBA单体(MBAm)交联的如图3C中所示的DMA单体组成。使用DMA单体代替DMA封端的(终止的)聚合物以产生对于强度和弹性具有长的链长度的广泛交联的聚合物。经由乙烯基加成反应交联的封端聚(DMAm)链产生具有较短的链长度的聚合物，产生脆的、硬质的水凝胶。1°网络中的广泛的交联和聚合程度增加聚(DMAm)水凝胶的弹性和适形性，同时增加爆裂压力。额外的强度是通过分子内相互作用、如H键和聚合物缠结实现的。
图4A-4C描绘实例HIP的聚合物链的化学结构。2°网络由P(SA)嵌段共聚物的封端链组成，所述P(SA)嵌段共聚物的封端链进一步由线性的β-d-甘露糖醛酸(mannuronate)(M)(参见图4A)和扭结的α-l-古洛糖醛酸(guluronate)(G)(参见图4B)均质嵌段聚合物以及非均质的弯曲的聚(MG)(参见图4C)嵌段聚合物组成。
图4D描绘聚合物网络，突出实例HIP的聚合物链之间的离子-离子结。所得聚合物是以具有类似于鸡蛋盒(蛋品包装盒，egg carton)的配置的离子-离子结啮合的连接至一系列有序区域的一系列无定形区域，如图4D中所示。高分子量链通常具有较高的粘度，这由更多的链缠结和离子-离子结增加SA水凝胶强度和浊度，而低分子量链具有较低的粘度，这由于较少的离子-离子结和缠结而以凝胶强度为代价改善凝胶透明度(清澈度)。
SA水凝胶机械性质也可通过调整G嵌段和M嵌段的P(SA)嵌段聚合物组成来调节。高的G-嵌段浓度通过增加链离子-离子结密度来增加SA水凝胶浊度、硬质和强度，而低的G嵌段浓度通过降低链离子-离子结密度来增加SA水凝胶透明度、弹性和脆性。
在拉伸(张力)下，DMAm水凝胶在塑性变形之前经历显著的弹性变形，不久之后快速失效。低的断裂韧性导致塑性区域中的快速失效，结果是在局部应力位点周围的聚(DMAm)链和共价交联的沉淀破裂(precipitated rupture)，例如小的裂缝和裂纹，其传播(扩展)为大的裂纹。
在压缩下，SA水凝胶将通过如下经历塑性变形：围绕二价阳离子将G嵌段释放(解压缩，unzip)，以耗散应力，所述应力在聚合物结构压缩时引起应***化。一旦去除压缩负荷，G嵌段将围绕二价阳离子重新形成或“重新压缩(re-zip)”。像DMAm水凝胶一样，SA海藻酸盐水凝胶具有低的断裂韧性，因为离子-离子结在局部应力区域处容易地断裂。
由于聚(DMAm)和P(SA)水凝胶两者具有低的断裂韧性，因此都不能用作经得起临床应用的透声支架和声耦合剂。但是，组合地，HIP双互穿网络(DIN)的机械性质大于其各部分的总和。通过共价键将P(SA)接枝到聚(DMAm)使跨越材料的本体的局部应力耗散，同时维持聚(DMAm)主链。
图5A-5D显示1°和2°网络形态的一组图示，且在拉伸负荷下在裂纹传播应变(λc)下对于裂纹引发的HIP试样中展现其与局部应力分散和断裂韧性的相关性。具体地，图5A是经历裂纹传播测试的HIP的示意图(标记为500A)，其中应力出现在三个圆形区域处，称为由500B表示的区域(#1)、由500C表示的区域(#2)、和由500D表示的区域(#3)。区域500B是指水凝胶500E的低应力区域，区域500C是指水凝胶500E的裂纹传播区域，和最后，区域500D是指水凝胶500E的水凝胶裂变(fission)线。当将水凝胶500E放置在夹具500F之间并且将力500G施加到水凝胶500E时，应力出现，导致应力区域500B、500C和500D。图5B-5D分别是应力区域#1、#2和#3的描绘的放大。
图5B代表图5A中描绘的低应力区域#1(标记为500B)。在图5B的图解中，502B表示1°网络，其中503B表示1°网络的封端的端部。505B表示2°网络。501B是1°网络502B和2°网络505B之间的共价键。504B代表1°网络502B之间的共价键合。506B代表1°网络502和2°网络505B之间的缠结，以及507B代表在***的二价阳离子508B的情况下在2°网络之间形成的离子-离子结。
在该实例实施中，在零或最小应力下时，图5B中的最小应力区域(#1)中显示的，1°网络和2°网络离子-离子结低于共价和离子交联爆裂压力。若干1°网络之间的共价键给出聚合物的网目(网眼，mesh)尺寸(ξ)，其决定水凝胶溶胀和机械特性。1°网络之间(1°-1°)的长的交联产生软的、依从性的、弹性的凝胶，而短的1°-1°交联具有牢固的、有弹性的且硬质的凝胶。额外的强度是通过1°网络的缠结实现的，其赋予HIP额外的强度。通过表明1°网络链的自由基终止来呈现对1°网络自由基猝灭的强调。二价离子-离子结(2°-2°)也被展示以牵涉(影响)P(SA)G-嵌段压缩和释放，同时分散局部应力。
图5C代表在裂纹处但在裂纹传播之前的局部应力区域#2(标记为500C)。在图5C中，503C代表施加到2°网络离子结的拉伸力流，所述2°网络离子结使来自拉伸力流503C的负载释放和耗散。拉伸力流503C导致2°网络如501C所示地行进，还引起二价阳离子504C的解离。这一起使在完整的交联505C上的负载最小化。
在图5C中的局部应力位点(#2)处，1°网络伸长并且通过力流(箭头)将集中在裂纹焦点处的应力的大部分从1°网络重定向到2°网络。过载时，2°-2°结解离并将储存的能量分散到整个介质中，维持共价键合的1°网络。2°接枝像1°网络链一样是可移动的，并重新形成2°-2°结，提供额外的抗剪切性。因此，通过经由牺牲和再生2°-2°结来桥接裂纹，1°网络可达到此前由差的断裂韧性而阻碍的最大聚合物链伸长率。
在没有时间恢复的情况下循环地伸长和松弛HIP引起机械滞后，但对于相同的机械现象，观察到P(SA)应力-应变滞后的程度较小。因为如下观察到滞后：2°-2°结断裂，之后它们可重新形成，产生具有较宽的弹性区域和较低的断裂韧性的更具延展性的HIP。可如下加速愈合：使用低热以增加G嵌段和二价阳离子移动性以重新形成2°-2°结。最终，当在潮湿条件下愈合一天时，几乎所有的2°-2°结恢复并且减轻(改善)受损的HIP断裂韧性。
图5D代表z区域#3(标记为500D)处的裂纹传播和1°网络裂解。在图5D中，应力引起阳离子501D的解离，并破坏1°网络键合502E。沿着1°网络的T.F.S.流动502G是在拉伸负荷下时，并且一旦材料休息(处于静止)，2°-2°离子结502H恢复。502F代表水凝胶裂变。
对于应用，产生具有一组所需的声学特性的坚韧的、依从性的、有延展性的HIP需要调节1°和2°网络、以及引发剂的浓度。因此，最重要的是了解各成分浓度对HIP机械特性的影响并加以限制以避免不利的脆性和硬质的HIP。
图6A和6B显示描绘超级聚集体水凝胶的图解。例如，海藻酸钠是阴离子多糖和嵌段共聚物，其在二价阳离子的存在下经由离子-离子结交联，并且是接枝到初级网络的HIP牺牲二级网络。过多的二价阳离子产生超级聚集体；在塑性变形过程中分散能量跨越本体材料方面不足的密集的交联网络，但以断裂韧性为代价改善材料的屈服应力。在超级聚集体中，P(SA)中的所有G嵌段都被二价离子600B占据以形成离子-离子结，而额外的二价离子600A在水性分散介质中解离，如图6A中所示。对于无限小的二价离子浓度，很少的G嵌段被二价阳离子600B占据以产生离子-离子结，形成弱的、脆性的水凝胶，如图6B中所示。很少的离子-离子结在分散局部应力方面是不足的，将裂纹容易地“释放”和快速地传播穿过材料。
图7A和7B显示描绘弱的、脆性的水凝胶的图解。长的聚(DMAm)聚合物由通过自由基乙烯基加成聚合的反应性烯丙基酰胺单体组成，并构成HIP初级结构网络。在传播时，MBA交联剂与自由基聚(DMAm)链反应，将两个聚(DMAm)链键合在一起。随着更多的交联剂添加至溶液，交联链长度降低，如图7A中圈出的区域700A所示。低分子量交联在应力下更容易破裂，导致脆性的高模量的聚(DMAm)水凝胶。太少的交联剂也产生脆性的聚(DMAm)水凝胶。向溶液添加微量的交联剂减少交联数量，如图7B中的阴影区域700B中所示；结果，存在较少的交联以将来自局部应力位点的力耗散跨越本体材料，导致少的交联过载和爆裂。
断裂韧性也通过调节1°网络单体相对于2°网络嵌段共聚物的浓度来优化。将DMAm对P(SA)的浓度降低使弹性模量增加，同时降低断裂韧性和临界伸长(critical stretch)。具有更多P(SA)的HIP由更多的离子-离子结相互作用呈现出更大的抗剪切性，降低HIP塑性和断裂韧性。例如，增加DMAm对P(SA)的比率降低临界伸长、断裂韧性和弹性模量。更多的聚(DMAm)降低P(SA)接枝密度和对材料剪切的抗性；然而，使用较少的P(SA)接枝，较少的牺牲键可用于耗散局部力，降低HIP断裂韧性。
最终足够的牺牲网络被破坏并且接近(逼近)1°网络最大伸长率，这使力流沿着1°网络集中。这些力累积并且不可逆地破裂1°-1°交联、链缠结和1°链本身，其形态类似于在如图5D中所示的其中水凝胶被切断的裂变线(#3)处呈现的形态。在破裂后，1°和2°链在拉伸负荷下被相互拉开(用虚线表示)并在失效后松弛。一旦松弛，2°-2°结重新形成并使HIP一半愈合；但是，无法沿裂变恢复HIP。
在各种实施方式中，本公开内容的水凝胶被构造成产生具有用于牺牲网络以耗散集中的应力区域的离子结和用于提供弹性和强度的结构网络的共价键的聚合物基体。1°网络是经由自由基乙烯基加成反应产生的，其支配HIP的弹性和强度。
当引发剂产生自由基单体或自由基链中间体(其随后产生另外的自由基单体或链中间体)时，自由基乙烯基加成链式反应被引发。该过程继续直至自由基的大部分反应，而剩余的自由基由于限制其反应的物理力而不能够反应。所述过程总结如下。
a)引发：
Figure BDA0003263420120000171
Figure BDA0003263420120000172
vi＝ki[I] (3)
b)增长(传播)：
Figure BDA0003263420120000173
Figure BDA0003263420120000174
Figure BDA0003263420120000175
Figure BDA0003263420120000176
c)终止：
Figure BDA0003263420120000177
Figure BDA0003263420120000178
Figure BDA0003263420120000179
Figure BDA00032634201200001710
Figure BDA00032634201200001711
引发步骤是反应的快的步骤，其中引发剂(I)解离并且产生自由基
Figure BDA00032634201200001712
自由基
Figure BDA00032634201200001713
进一步产生自由基单体或链
Figure BDA00032634201200001714
引发的速率(vi)为引发反应常数(ki)和引发剂浓度的乘积。在增长(传播)步骤期间，自由基链与其它的链(Mn)反应，所述其它的链(Mn)又变成自由基化的。增长的稳态速率
Figure BDA00032634201200001715
为两个终端链末端与其它链反应(这又产生新的自由基终端末端)，速率引发常数、引发剂的浓度、和成功自由基链引发分数(f)的乘积。成功自由基链引发分数取决于溶液温度、粘度、和空间位阻。
终止可导致三种方式之一：相互终止、歧化、和链转移。相互终止导致较长的链长度，且因此是期望的终止步骤。歧化导致在两个链上的自由基的终止且导致较短的链长度。链转移对于自由基供体导致较短的链长度，而自由基受体变成化学活性的。通过假定链转移和歧化是最小的，终止的稳态速率
Figure BDA0003263420120000181
变成反应的两个自由基终端末端，终止反应常数(kt)和自由基链的浓度的乘积。
由引发、增长、和终止步骤，产生净的稳态反应式。
d)净的反应：
Figure BDA0003263420120000182
Figure BDA0003263420120000183
Figure BDA0003263420120000184
增长的净速率(vp)为总的增长反应常数(kr)、引发剂的浓度、以及溶液中存在的链或单体的浓度的乘积。由于这是
Figure BDA0003263420120000185
级反应，单体浓度(第一级)将经历在浓度上的指数衰减，而引发剂浓度将以单体浓度的一半速率衰减。由于自由基链不及自由基引发剂稳定，因此自由基链彼此反应比引发剂与自由基链的反应快。此外，相互反应的自由基引发剂将产生更多的当反应速率降低时将最终猝灭的自由基引发剂。
由增长的速率，可计算聚合度(<N>)和动力学链长度(v)。
e)聚合度
Figure BDA0003263420120000186
Figure BDA0003263420120000187
<N>＝2v (18)
动力学链长度是链增长速率和自由基产生速率之比；因此，相对于单体链的浓度提高自由基的浓度将增加动力学链长度。直链型链的聚合度与动力学链长度成正比。这样，动力学链长度的增加导致聚合度的两倍增加。
由于1°网络经由乙烯基加成反应聚合，因此成分的组成对水凝胶机械和声学性质将具有显著影响。太多引发剂将产生具有极短的链的HIP，这增加溶液的粘度，但是将不产生半固体材料。另一方面，太少的引发剂将反应速率降低至缓慢地进行(爬行)并且可导致较高的残余单体的浓度，如果在完成之前自由基乙烯基加成反应猝灭的话。
以类似的方式，过多的催化剂增强引发和增长的速率，其导致较短的链长度，导致脆性的、无弹性的HIP。反过来，少量的催化剂可将反应持续时间从数小时增加到数天。尽管较长的反应持续时间在理论上可导致较长的链长度，但是在胶凝期间溶液粘度的增加将频繁终止且增长得较少并且增加氧气使乙烯基加成反应猝灭的可能性，导致具有显著的残余单体和自由基的浓度以及在机械性质方面的较大的可变性的HIP。
对于1°网络的单体的过度的量给予HIP长的链长度和强度，但是随着反应朝着随溶液粘度的增加而加剧的胶凝进行也保留相当大量的残余单体。在另一个极端，单体的无穷小的量将降低增长速率和残余单体浓度，但是产生硬性的且脆的具有小的动力学链长度的HIP，因为没有足够的单体在溶液中以产生长的聚合物链。
为了一致的机械和声学性质，应控制环境因素如温度、湿度和氧含量。升高温度增加反应速率并降低平均聚合物链长度，这使得HIP是脆性和硬质的。高的相对湿度(RH)可使引发剂和催化剂在溶液中反应之前降解，并降低聚合度和增加HIP中的残余单体的量。此外，溶液中的O2含量可猝灭自由基乙烯基反应，并在HIP的表面上留下有害的自由基和残留单体。此外，模具容器对表面形态和化学有影响，这又影响HIP的溶胀特性和生物相容性。
如上所讨论的，所公开的水凝胶组合物和制品被设计成提供一些机械和声学性质，例如，包括断裂韧性、弹性、透明度、机械可调性和声学可调性，这使得所公开的水凝胶适于三维断层扫描超声应用，包括超声成像和多普勒距离诊断研究。
水是有效的声传输介质，其构成HIP组合物的大部分，以可忽略不计地衰减从换能器传播的US波。DIN是由1°和2°网络组成的连续相，而水是HIP中的分散相，产生低的体积模量的半固体材料，其可在没有显著阻力的情况下压缩和扩展(膨胀)，兼作为有效的US波传输介质。
图8显示通过实例HIP进入包含均质体的非均质基底的声传输的简单图解(标记为800)。如在所述图解中所示，箭头表示在介质中传播的US波的轨迹。当与材料界面相互作用时，传输的能量(T)可被折射(T)和反射(R)。传输和折射的能量可在散射能量的介质中折射和反射若干次。传输的信号的能量(E)也作为热量和波衍射损失，将其与通过介质的所有折射和散射能(能力)相加得到传输的信号的总能量损失(ΔE)。
在HIP、基底/目标体积界面处，传播的波的一些被反射回换能器，而其余的声能被传输到基底中。换能器匹配层和皮肤界面之间的阻抗失配被最小化，仅略微折射US波。不可避免地，传输的信号遇到均质体，将传输的US波折射、衍射、吸收和散射；总而言之，传输的信号的总能量损失(ΔE)被分散在整个周围介质中(被分散遍及周围介质)。对于基板中的各体，传输的US波将在材料界面处被反射并如上所述损失能量。存在多个界面，因此减少通过透声HIP传播的US波的初始曲率增加反射的次数并改善所接收的反射的信号强度。
声传输示于图8中，其中由800A(T1)表示的能量从换能器800B并通过HIP 800C传输。来自800A(T1)的能量的一些在基底表面800D处被反射回换能器800B，如由800E(R1)表示的。由800F(T2)表示的其余能量被传输至均质材料800E。一旦能量800F(T2)被传输至均质材料800G，能量800F(T2)被传输通过均质材料800G以及被反射回换能器800B。例如，能量800F(T2)的一些在进入均质材料800G中时以角度(θ)被折射，其中所得的折射能量表示为800H(T’23)。折射能量800H(T’23)然后传播通过均质材料800G并在离开均质材料800G时以角度(θ)被折射，如由800I(T3)表示的。然而，能量800F(T2)的一些一旦传播通过均质材料800G传播并接触均质材料800G的表面，就被反射回换能器，如由800K(R3)表示。最后，能量800F(T2)的一些没有进入均质材料800D，而是在与均质材料800G的表面接触时被反射回换能器800B，如由800J(R2)表示的。来自该过程的如由800L(ΔE)表示的总能量损失分散在整个均质材料800G中(分散遍及均质材料800G)。
表1显示根据本技术的半硬质HIP的多种实施例(水凝胶样品902、903和904)和实例对照水凝胶样品(901)的实例水凝胶组合物的测试的声学和机械性质。注意，在表1中，“SOS”代表声音速度(声速)；“Z”为声阻抗，“ATTN”为衰减，“E”为杨氏模量，且“ε”为工程应变。样品水凝胶901、902、903和904的图片显示在图9中。
表1
Figure BDA0003263420120000211
水凝胶界面垫的实例实施
HIP的组成已被调整以产生软的、依从性的水凝胶，其可适形和包围目标位置以桥接空气声阻抗边界并且对于临床应用是坚韧的，如图10A-10F中所证明的。通过调整HIP组成——共价和离子交联剂、1°网络单体和2°网络嵌段共聚物的量和类型、以及反应速率——可实现一系列不同的机械性质，同时保持相对恒定的声音速度(SOS)、声阻抗(Z)和衰减(ATTN)，如表1中所示。
图10A-10F显示实例水凝胶界面垫903的柔韧性、拉伸性、和坚固性的图像。具体地，图10A显示在局部化的压缩之前的HIP，与显示在局部化的压缩后的HIP的图10B形成对照。类似地，图10C显示在紧握(squeezing)之前的HIP，与显示在紧握后的HIP的图10D形成对照。最后，图10E显示HIP的适形性特性，且图10F显示在全(满)压缩下的HIP。一起考虑，这些证明显示HIP903是耐断裂的，这归因于HIP的韧性和弹性。
在实例实施中，实例HIP 901用作对照水凝胶，由拥有良好的弹性、适形性、和透明度性质的聚(丙烯酰胺)(Poly(AA))与低粘度P(SA)2°网络构成。在HIP 901暴露表面上起波纹是由于在胶凝过程期间的表面张力差别。实例HIP 903配置成具有与HIP 901相同的组成而没有表面起波纹。实例HIP 904配置成具有与HIP 901和HIP 903的Poly(AA)和P(SA)组分的相同组成；但是，实例HIP 904用高粘度P(SA)补充低粘度P(SA)。实例HIP 902配置成具有与HIP 901和HIP 903的P(SA)的相同组成，同时用Poly(DMAm)代替Poly(AA)。在这些实施中，显示所有的实例HIP具有类似的声学性质，而仅在弹性模量(E)和极限拉伸强度(UTS)方面有区别。
例如，HIP 901的在换能器侧上的起波纹是由于在胶凝期间在空气和溶液边界之间的界面张力，导致凝胶表面皱曲和翘曲。HIP 903在胶凝期间降低界面表面张力，消除所有起波纹。HIP 904用高粘度P(SA)补充低粘度P(SA)，其使弹性模量显著降低，得到更软的、更柔韧的HIP。最柔韧的是HIP 902，其具有最低的弹性模量，同时呈现出类似的韧性和声能传输性质。通过进一步调整HIP 902的交联反应速率、过程变量、以及成分的浓度和类型，可在不牺牲良好的声传输的情况下实现多样的不同的机械性质用于繁多的US检查应用。作为极端的实例，HIP 902的变形(HIP 902’)具有与HIP 902相同的SOS、ATTN、和Z，被过度地交联以得到硬性的且可弯曲的水凝胶，如图11中所示。添加过量的二价离子交联剂不影响SOS(例如，1549m/s)、ATTN(例如，0.07dB/cm*MHz)、和透明度，同时呈现出与HIP 902显著不同的弹性模量(例如，302kPa)。
在一些实施中，实例水凝胶界面垫可结合到声换能器探测(探头)设备(例如，超声扫描仪)。在题为“ACOUSTIC SIGNAL TRANSMISSION COUPLANTS AND COUPLING MEDIUMS”的美国公开No.2016/0242736A1中描述了可连接和利用实例HIP的声换能器探测设备的实例实施方式的细节，其全部内容通过引用引入作为本专利文件的公开内容的一部分用于所有目的。
用于制造水凝胶组合物和制品的实例方法
图12显示根据本技术的用于制造水凝胶界面垫的方法的实例实施方式。标记为1200的示例性方法包括过程1201，其中DMAm在标准温度和压力(STP)下溶解在去离子(DI)水中。将DMAm添加至去离子水是吸热混合过程，其中DMAm迅速地溶解。过程1201然后包括将SA引入至DMAm溶液。在将SA添加至DMAm溶液时，溶液溶胀(膨胀)，导致聚集体/鱼眼形成，其中胶凝的P(SA)封装干燥的P(SA)粉末(将干燥的P(SA)粉末封入内部)。在一些实施中，所述方法的过程1201，例如，DMAm-SA用于形成用于后续反应的“原液”并在延长的时间段(例如，大于30分钟)内保持稳定性。然后，所述方法包括过程1202，其中用气态氩气(Ar)、氮气(N2)、氦气(He)或其混合物对DMAm-SA溶液进行鼓泡和脱气以去除痕量的氧气(O2)。接着，所述方法包括过程2013，其中将溶液置于真空室中在减压下以去除所有外源气体。然后将脱气的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)的溶液引入至DMAm-SA溶液以制造准备好用于如通过过程2014所示的后续的聚合处理步骤的“待发溶液(准备好的溶液，primed solution)”。所有溶液需要不含O2，否则将发生自由基猝灭和催化剂氧化。最后，所述方法包括过程1205，其中将APS和CA的脱气的溶液添加至待发溶液以引发放热的聚合和交联反应，由此形成“凝胶-溶剂”或“凝胶-溶胶”溶液。在添加APS和CA溶液后，凝胶-溶胶在模具中流延并固化小于8小时以形成HIP。
表2显示在处理步骤期间添加的组分各自的实例重量百分比比例(w/w)，连同它们对水凝胶的相应功能。
表2
Figure BDA0003263420120000231
在一些实施方式中，所得凝胶-溶胶表现出较长的增长反应步骤(即，具有增加的适用期)。适用期对小规模和大规模制造HIP以及减缓和/或防止成分过早聚合的发生具有重要意义。例如，增加凝胶-溶胶的适用期增加在流延HIP后夹带的空气气泡从凝胶-溶胶中逸出的时间，使在固化的HIP中的夹带的空气的风险最小化。该特性是有意义的，因为未能去除和/或防止气泡形成导致差的声传输——增加的衰减、较少的反射、不想要的散射和模糊的超声图像——以及受损的机械性质——局部应力区域、较低的撕裂强度和较低的爆裂压力。
水凝胶的网目尺寸取决于多种参数，如反应速率、链长度、立体化学、分子内相互作用和反应条件例如温度、压力和气氛。
图13描绘包含95％水的实例聚(DMA)水凝胶网络的网目和相应的电子显微镜图像。水凝胶的网目影响透明度、密度、SOS、阻抗、硬性、强度和溶胀的平衡度。
例如，在方法1200的一些实施中，在制备HIP的重要考虑涉及对阳离子交联剂和共价交联剂两者的量的明智的选择。例如，在制备HIP的本示例性方法中，添加太多的CA(即阳离子交联剂)导致超级聚集体的形成，而太少的CA导致超级分散体的形成。太少的CA(例如，超级分散体)和太多的CA(即，超级聚集体)的平衡描绘于图4D中。类似地，太多的MBAm(即，共价交联剂)导致微小的网目尺寸，而太少的MBAm导致太大的网目尺寸。这样，在本公开内容的HIP 903的制造中使用的0.1382-0.23234重量％的CA和8.290-9.815重量％的MBAm提供最佳的聚集程度和网目尺寸。
对制造柔韧且坚固的HIP重要的另外的考虑是在二级接枝牺牲网络组分(例如海藻酸钠)和初级结构网络组分(例如DMAm)反应时发生的接枝程度。接枝提供HIP的冲击强度、能量耗散、自愈合特性、机械滞后和热滞后。本公开内容的示例性HIP呈现出提供上述特性的在SA和DMAm之间的最佳接枝程度。
然而，对于一些声信号传播应用，利用比上述的较早的实施方式的至少一些更硬质的且较小柔性的具有声阻抗匹配特性的声耦合剂可为有利的。例如，这样的硬质声耦合剂可包括对于如下有用的水凝胶组合物：一些超声技术和应用，例如，特别地利用平坦换能器阵列和目标体积的平坦表面的超声成像技术，其中耦合剂与接收体的适形性不是大的挑战。
在一些实施方式中，硬质声耦合介质包括包含二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)的水凝胶组合物，其中DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。在水凝胶组合物的一些实施方式中，DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
在一些实施方式中，硬质声耦合介质包括包含海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))的水凝胶组合物，其中P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。在水凝胶组合物的一些实施方式中，P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
在一些实施方式中，平的声耦合介质包括包含二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)的水凝胶组合物，其中DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。在水凝胶组合物的一些实施方式中，DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。在这样的实施方式中，平的声耦合介质可呈现出脆的和/或弱的机械性质，例如，其中材料在有或没有显著的弹性应变的情况下承受显著的负荷，之后随着小的裂纹突然出现且跨越材料传播而陡然地失效。显著的负荷可包括压缩应力和拉伸应力。例如，包括DMAm的平的水凝胶的在失效前的压缩应力可包括在50-80％的压缩下约100kPa至约250kPa的范围。例如，包括DMAm的平的水凝胶在失效前的拉伸应力可包括在25-50％的伸长下的约12.0kPa至约20.0kPa的范围。此外，例如，在弹性变形下，包括DMAm的平的水凝胶可突然失效。
然而，尽管呈现出潜在地脆的和/或弱的机械性质，但DMAm水凝胶可对于一些条件为耐久的且在一些应用中是有用的。例如，如果对DMAm水凝胶施加拉伸或剪切负荷，这些水凝胶可在25-50％的应变之间突然失效；然而，在压缩下，DMAm水凝胶在爆裂前可经历超过50％的应变。此外，DMAm水凝胶典型地为粘性的，这对于一些应用中凝胶必须结合至表面的情况来说是理想的，例如在长时间的静态超声检查中。此外，例如，对于使用腹腔镜超声引导仪器的腰椎手术，在患者俯卧时可展开大的DMAm水凝胶的片以覆盖患者的胸椎和腰椎。因为凝胶容易地被刺穿，用无菌水润滑的腹腔镜工具可刺穿入水凝胶和然后的组织，形成无菌的透声覆盖物(blanket)以将仪器引导至VOI。在手术过程中，DMAm水凝胶粘至背部的平的形貌，同时超声设备传输关于工具的邻近其他血管和器官的数据。值得注意地，更适形性的水凝胶界面垫也可同样成功地使用，但将提供显著更大的拉伸和剪切强度。
在一些实施方式中，平的声耦合介质包括包含海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))的水凝胶组合物，其中P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。在水凝胶组合物的一些实施方式中，P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。在一些实施方式中，平的声耦合介质可呈现出脆的和/或弱的机械性质。在这样的实施方式中，平的声耦合介质在如下时呈现出脆性：其在有或没有弹性应变的情况下经历显著的负荷，之后作为显著的负荷的结果，由于裂纹或裂缝跨越水凝胶材料的形成和传播而失效。显著的负荷可包括压缩应力和拉伸应力。例如，包含海藻酸盐的水凝胶的在失效前的压缩应力可包括在20-60％压缩下的约200kPa至约500kPa的范围。例如，包含海藻酸盐的水凝胶的在失效前的拉伸应力可包括在2-20％伸长下的约4.5kPa至约10.0kPa的范围。此外，例如，在弹性变形下，包含海藻酸盐的水凝胶可突然失效。
例如，存在如下的实际应用，其中更硬质的P(SA)水凝胶可应用于以线性阵列扫描身体的平的区域。特别地，由于P(SA)水凝胶是非粘性的，因此P(SA)支架可容易地在患者的皮肤上滑行，这对于动态超声检查是理想的。例如，可以具有硬质的P(SA)支架的线性阵列扫描肋骨断裂的患者，以扫描在皮肤的表面附近的肋骨。如果在没有支架的情况下使用探头，由于肋骨与换能器非常接近，因而肋骨表面可无法与其他组织区分开。在有支架的情况下，超声波束可经过皮肤表面聚焦在骨骼上，产生在皮层、脂肪层和韧带层下方的骨骼的清晰图像。因此，肋骨骨折可用医疗超声设备代替更昂贵和笨重的CT和MRI扫描容易地识别。在这种情况下也可使用更适形性的HIP，但额外的适形性几乎没有提供额外的益处，因为阵列是线性的，并且在肋骨周围的患者形貌是相对平的。
实例
以下实例说明本技术的若干实施方式。本技术的其它示例性实施方式可提供在以下列举的实例之前、或者在以下列举的实例之后。
在根据本技术的一些实施方式(实例1)中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约25.00重量％的量存在，DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在，并且水以至少约50.00重量％的量存在。
实例2包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
实例3包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中DMAm以约8.3重量％至约9.8重量％的量存在。
实例4包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
实例5包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中水以水凝胶组合物的总重量的至少约75.6重量％的量存在。
实例6包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中水凝胶组合物进一步包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
实例7包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中MBA以水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约10.00重量％的量存在。
实例8包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中TMED以水凝胶组合物的总重量的0.004重量％至约1.00重量％的量存在。
实例9包括实例1-10中任一个的水凝胶组合物，其中CA以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1.00重量％的量存在。
实例10包括实例1-19中任一个的水凝胶组合物，其中APS以水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1.00重量％的量存在。
在根据本技术的一些实施方式(实例11)中，半硬质声耦合介质包括水凝胶材料，所述水凝胶材料包括：海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)、和水。
实例12包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约25.00重量％的量存在，DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在，并且水以至少约50.00重量％的量存在。
实例13包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在，DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在，并且水以至少约75.6重量％的量存在。
实例14包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中半硬质声耦合介质具有1480-1700m/s的声音速度。
实例15包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中半硬质声耦合介质具有约1.00-2.00MRayls的声阻抗。
实例16包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中半硬质声耦合介质具有约0.001-1.00dB/cm/MHz的声衰减。
实例17包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中半硬质声耦合介质具有约500.00kPa或更小的杨氏模量。
实例18包括实例11-19中任一个的半硬质声耦合介质，其中水凝胶具有大于或等于50％的工程压缩和弹性应变。
实例19包括实例11-18中任一个的半硬质声耦合介质，其中水凝胶材料进一步包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
在根据本技术的一些实施方式(实例20)中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中基于水凝胶组合物的总重量，P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在，DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在，并且水以至少约75.6重量％的量存在。
实例21包括实例20-26中任一个的水凝胶组合物，其中DMAm以约8.3重量％至约9.8重量％的量存在。
实例22包括实例20-26中任一个的水凝胶组合物，其中水凝胶组合物进一步包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
实例23包括实例20-26中任一个的水凝胶组合物，其中MBA以水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约3.4重量％的量存在。
实例24包括实例20-26中任一个的水凝胶组合物，其中TMED以水凝胶组合物的总重量的0.004重量％至约0.082重量％的量存在。
实例25包括实例20-26中任一个的水凝胶组合物，其中CA以水凝胶组合物的总重量的约0.13重量％至约0.23重量％的量存在。
实例26包括实例20-25中任一个的水凝胶组合物，其中APS以水凝胶组合物的总重量的约0.02重量％至约0.24重量％的量存在。
在根据本技术的一些实施方式(实例27)中，水凝胶组合物包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)，其中DMAm以约1.0重量％至约40.00重量％的量存在。
实例28包括实例27的水凝胶组合物，其中DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
在根据本技术的一些实施方式(实例29)中，水凝胶组合物包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))，其中P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。
实例30包括实例29的水凝胶，其中P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
在根据本技术的一些实施方式(实例31)中，平的水凝胶包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)，其中DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。
实例32包括实例31的平的水凝胶，其中DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
实例33包括实例31或32中任一个的平的水凝胶，其中平的水凝胶在如下时呈现出脆性：平的水凝胶在有或没有弹性应变的情况下经历显著的负荷，之后作为显著的负荷的结果，由于裂纹或裂缝跨越平的材料的形成和传播而失效。显著的负荷可包括压缩应力和拉伸应力。例如，包括DMAm的平的水凝胶的在失效前的压缩应力可包括在50-80％压缩下的约100kPa至约250kPa的范围。例如，包括DMAm的平的水凝胶的在失效前的拉伸应力可包括在25-50％伸长下的约12.0kPa至约20.0kPa的范围。此外，例如，在弹性变形下，包括DMAm的平的水凝胶可突然失效。
在根据本技术的一些实施方式(实例34)中，平的水凝胶包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))，其中P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。
实例35包括实例34的平的水凝胶，其中P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
实例36包括实例34或35中任一个的平的水凝胶，其中平的水凝胶在如下时呈现出脆性：平的水凝胶在有或没有弹性应变的情况下经历显著的负荷，之后作为显著的负荷的结果，由于裂纹或裂缝跨越平的材料的形成和传播而失效。显著的负荷可包括压缩应力和拉伸应力。例如，包括海藻酸盐的平的水凝胶的在失效前的压缩应力可包括在20-60％压缩下的约200kPa至约500kPa的范围。例如，包括海藻酸盐的平的水凝胶的在失效前的拉伸应力可包括在2-20％伸长下的约4.5kPa至约10.0kPa的范围。此外，例如，在弹性变形下，包括海藻酸盐的平的水凝胶可突然失效。
所有的数值表达例如pH、温度、时间、浓度和分子量(包括范围)是在适当时按1.0或0.1的增量、或者替代地按+/-15％、或替代地10％、或替代地5％、或替代地2％的变化改变(+)或(-)的近似值。将理解，尽管没有总是明确地陈述，但是所有数值表达前面有术语“约”。将理解，为了方便和简洁而使用这样的范围形式，并且其应被灵活地理解为包括被明确地具体说明为范围的极限值的数值，而且包括在该范围内覆盖的所有单独的数值和子范围，如同各数值和子范围被明确地具体说明一样。例如，在约1-约200的范围内的比率应被理解为包括明确叙述的极限值约1和约200，而且包括单独的比率例如约2、约3、和约4，以及子范围例如约10-约50、约20-约100等。还将理解，尽管没有总是明确地陈述，但是本文中描述的试剂仅是示例性的并且其等同物是本领域中知晓的。
如本文中使用的术语“约”当涉及可测量的值例如量或浓度等时，意在包括所具体说明的量的20％、10％、5％、1％、0.5％、或甚至0.1％的变化。
术语或“可接受的”、“有效的”或“充分的(充足的)”当用于描述本文中公开的任何组分、范围、剂型等的选择时，意图在于所述组分、范围、剂型等对于所公开的目的是合适的。
“包括”意图表示组合物和方法包括所叙述的要素，但是不排除其它的。当用于限定组合物和方法时使用的“基本上由……组成”应表示排除对于所陈述的目的而言对于组合有任何实质意义的其它要素。因此，基本上由如本文中限定的要素组成的组合物将不排除未实质上影响所要求保护的发明的基本的和新的特性的其它材料或步骤。“由……组成”应表示排除其它成分的超过痕量的要素和实质性的方法步骤。由这些过渡术语各自限定的实施方式在本发明的范围内。
意图在于，说明书连同附图一起仅被认为是示例性的，其中示例性的意味着实例。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(不定冠词)(a，an)”和“所述(该)”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外说明。另外，“或”的使用意图包括“和/或”，除非上下文清楚地另外说明。
尽管本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或可要求保护的内容的范围的限制，而被解释为可针对具体发明的具体实施方式的特征的描述。在分开的实施方式的上下文中在本专利文件中描述的一些特征也可在单个实施方式中以组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的不同特征也可在多个实施方式中分开地或者以任何合适的子组合实施。而且，尽管多个特征可在上面被描述为以一些组合起作用并且甚至最初照这样被要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在一些情况中从所述组合删除，并且所要求的组合可涉及子组合或子组合的变型。
类似地，尽管多个操作在附图中按具体的顺序被描绘，但是这不应被理解为要求这样的操作以所显示的具体顺序或者以相继的顺序进行，或者所有图示的操作都进行，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施方式中的不同的***部件的分离不应被理解为在所有实施方式中都要求这样的分离。
描述了仅一些实施和实例，并且可基于在本专利文件中描述和说明的内容进行其它的实施、提升和变型。

Claims (36)

1.水凝胶组合物，包括：
海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中
基于所述水凝胶组合物的总重量，所述P(SA)以约0.5重量％至约25.00重量％的量存在，
所述DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在，并且
所述水以至少约50.00重量％的量存在。
2.权利要求1所述的水凝胶组合物，其中所述DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
3.权利要求1所述的水凝胶组合物，其中所述DMAm以约8.3重量％至约9.8重量％的量存在。
4.权利要求1所述的水凝胶组合物，其中所述P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
5.权利要求1所述的水凝胶组合物，其中所述水以所述水凝胶组合物的总重量的至少约75.6重量％的量存在。
6.权利要求1至5中任一项所述的水凝胶组合物，进一步包括：
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
7.权利要求6所述的水凝胶组合物，其中所述MBA以所述水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约10.00重量％的量存在。
8.权利要求6或7所述的水凝胶组合物，其中TMED以所述水凝胶组合物的总重量的0.004重量％至约1.00重量％的量存在。
9.权利要求6至8中任一项所述的水凝胶组合物，其中CA以所述水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1.00重量％的量存在。
10.权利要求6至9中任一项的水凝胶组合物，其中所述APS以所述水凝胶组合物的总重量的约0.01重量％至约1.00重量％的量存在。
11.半硬质声耦合介质，包括水凝胶材料，所述水凝胶材料包括：海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)、和水。
12.权利要求11所述的半硬质声耦合介质，其中
基于水凝胶组合物的总重量，所述P(SA)以约0.5重量％至约25.00重量％的量存在，
所述DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在，并且
所述水以至少约50.00重量％的量存在。
13.权利要求11所述的半硬质声耦合介质，其中
基于水凝胶组合物的总重量，所述P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在，
所述DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在，并且
所述水以至少约75.6重量％的量存在。
14.权利要求11至13中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中所述半硬质声耦合介质具有1480-1700m/s的声音速度。
15.权利要求11至14中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中所述半硬质声耦合介质具有约1.00-2.00MRayls的声阻抗。
16.权利要求11至15中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中所述半硬质声耦合介质具有约0.001-1.00dB/cm/MHz的声衰减。
17.权利要求11至16中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中所述半硬质声耦合介质具有约500.00kPa或更小的杨氏模量。
18.权利要求11至17中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中水凝胶具有大于或等于50％的工程压缩和弹性应变。
19.权利要求11至18中任一项所述的半硬质声耦合介质，其中水凝胶材料进一步包括：
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
20.水凝胶组合物，包括：
海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))、二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)和水，其中
基于所述水凝胶组合物的总重量，所述P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在，
所述DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在，并且
所述水以至少约75.6重量％的量存在。
21.权利要求20所述的水凝胶组合物，其中所述DMAm以约8.3重量％至约9.8重量％的量存在。
22.权利要求20或21所述的水凝胶组合物，进一步包括：
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、N',N',N,N-四甲基乙二胺(TMED)、硫酸钙(CA)和过硫酸铵(APS)。
23.权利要求22所述的水凝胶组合物，其中所述MBA以所述水凝胶组合物的总重量的约0.04重量％至约3.4重量％的量存在。
24.权利要求22或23所述的水凝胶组合物，其中TMED以所述水凝胶组合物的总重量的0.004重量％至约0.082重量％的量存在。
25.权利要求22至24中任一项所述的水凝胶组合物，其中CA以所述水凝胶组合物的总重量的约0.13重量％至约0.23重量％的量存在。
26.权利要求22至25中任一项所述的水凝胶组合物，其中所述APS以所述水凝胶组合物的总重量的约0.02重量％至约0.24重量％的量存在。
27.水凝胶组合物，包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)，其中所述DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。
28.权利要求27所述的水凝胶组合物，其中所述DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
29.水凝胶组合物，包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))，其中所述P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。
30.权利要求29所述的水凝胶，其中所述P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
31.平的水凝胶，包括二甲基丙烯酰胺单体(DMAm)，其中所述DMAm以约1.00重量％至约40.00重量％的量存在。
32.权利要求31所述的平的水凝胶，其中所述DMAm以约3.3重量％至约14.8重量％的量存在。
33.权利要求31或32中任一项所述的平的水凝胶，其中所述平的水凝胶在如下时呈现出脆性：所述平的水凝胶在有或没有弹性应变的情况下经历显著的负荷，之后作为显著的负荷的结果，由于裂纹或裂缝跨越平的材料的形成和传播而失效。
34.平的水凝胶，包括海藻酸钠嵌段共聚物(P(SA))，其中所述P(SA)以约0.5重量％至约25重量％的量存在。
35.权利要求34所述的平的水凝胶，其中所述P(SA)以约0.5重量％至约5.5重量％的量存在。
36.权利要求34或35中任一项所述的平的水凝胶，其中所述平的水凝胶在如下时呈现出脆性：所述平的水凝胶在有或没有弹性应变的情况下经历显著的负荷，之后作为显著的负荷的结果，由于裂纹或裂缝跨越平的材料的形成和传播而失效。
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