Name: controllable nucleation of cavitation from plasmonic gold nanoparticles for enhancing high intensity focused ultrasound applications
Uploaded: 2018-10-05T13:30:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par EPSRC accorder EP/J021156/1. L’auteur tient à remercier le soutien d’une bourse de recherche Leverhulme carrière précoce (ECF-2013-247).

1. tissu imitant fabrication fantôme
Remarque : Une analyse approfondie des propriétés acoustiques du fantôme optiquement transparent imitant le tissu utilisé pour toutes les expositions dans cette étude se trouvent à Choi, et al. 24
Remarque : Chaque moule fantôme contient environ 50 mL de solution, et pour chaque lot un total de cinq moules sont remplis. Ainsi, un total de 250 mL de solution fantôme est préparé.
<ol><li>Ajouter 148,2 mL (60 % v/v) d’eau désionisée, filtré et dégazé dans une carafe en verre 500 mL et les laisser s’équilibrer à température ambiante. Ajouter 75 mL de 40 % (poids/volume) solution d’Acrylamide/Bis-acrylamide (30 % v/v) dans le bécher de verre, suivie de 25 mL de tampon TRIS de 1 M, pH 8 (10 % v/v) et 2,15 mL de persulfate d’ammonium 10 % (APS ; 0,86 % v/v).</li>
	<li>Placer le bécher en verre à l’intérieur d’une chambre à vide qui se trouve sur une plaque de l’agitateur magnétique et placer un barreau d’agitateur magnétique 40 mm long polytétrafluoroéthylène (PTFE) à l’intérieur du bécher. Avec un support en mélangeant vitesse (c.-à-d., assurer un bon mélange sans formation de vortex dans l’eau), ajouter lentement 22,5 g (9 % p/v) de poudre de l’albumine sérique bovine (BSA).</li>
	<li>Une fois que tous les BSA a été ajouté à la solution, fermer la chambre à vide et sur la pompe à vide. Maintenir un vide de 80 mBar/H et continuer à remuer pendant un autre 60 min, puis relâcher le vide. À ce stade, la solution doit être claire avec une légère teinte jaune.</li>
	<li>La méthode décrite ci-dessus est la même chose pour les fantômes réalisés avec et sans nanoparticules. Si les nanoparticules sont requis, ajouter 10 µL (concentration de 1 x 108 np/mL) des nanotiges qui ont une résonance plasmonique de surface (SPR) à 850 nm et un diamètre de 40 nm.</li>
	<li>Enfin, ajoutez 125 µL d’éthylènediamine (TEMED) pour catalyser la polymérisation du fantôme. Attendre 5 minutes supplémentaire permettant de mélanger, puis verser la solution fantôme dans 5 moules individuels et attendre 20 min pour régler. Une fois réglé, retirer les détenteurs et stocker dans un récipient hermétique jusqu'à utilisation. Utilisez des fantômes dans les 24 heures de fabrication.</li>
</ol>2. étalonnage des transducteurs HIFU champ libre pression acoustique
Remarque : Cette section du protocole n’est pas nécessaire avant chaque expérience de lésion et d’imagerie. C’est une procédure de calibrage à effectuer à intervalles réguliers pour s’assurer une sortie acoustique du système est correcte.
<ol><li>Remplir un réservoir d’eau acrylique (280 x 141 x 132 mm) avec 4,5 L d’eau déionisée et dégazé. Installez la sonde HIFU sur un poste de poste fixe à une extrémité de la citerne, à l’intérieur. Parallèlement à cela, Mont un calibré (effectué par les laboratoires de physique National) hydrophone de membrane sur une scène de trois axes manuel micrométrique au point focal du transducteur HIFU (63 mm) environ.</li>
	<li>Connecter la sonde HIFU (géométriques foyer 63 mm) sur le circuit d’adaptation d’impédance, puis amplificateur de puissance (comme illustré à la Figure 1). Connectez ensuite l’hydrophone membrane directement sur le système d’acquisition de données, veillant à ce qu’un signal de déclenchement est fourni par le générateur de fonction connecté à l’amplificateur de puissance (Figure 1).</li>
	<li>La valeur de la tension de sortie du générateur de fonction à 30 mV, avec une onde sinusoïdale de 10 cycle 3,3 MHz à une fréquence de répétition des impulsions de 100 Hz.</li>
	<li>En utilisant le logiciel de mesure (voir Table des matières) pour visualiser le signal acoustique détecté et le stade de micromètre, positionner l’impulsion acoustique détectée à l’heure du vol (42,5 µm). En utilisant seulement une direction radiale simple à la fois sur la scène de micromètre, maximiser le signal acoustique détecté. Une fois convaincus, que c’est chose faite, fermez le logiciel et laisser l’hydrophone de membrane dans sa position actuelle.</li>
	<li>Varier la tension de sortie du générateur de fonction de 20-400 mV 20 incréments de mV. À chaque tension niveau et en utilise le logiciel d’acquisition de MatLab, dossier l’hydrophone signaux. Acquérir 100 impulsions à chaque niveau et convertir des données de tension en pression à l’aide des données d’étalonnage fourni. Moyenne des données et de mesurer les deux les PIC valeurs positives et négatives pour tous les niveaux de tension de sortie. Cela donne les données d’étalonnage pour la pression négative de crête de champ libre à utiliser pour les deux le pouls et poursuit des études des ondes.</li>
</ol>3. Configuration d’appareil expérimental pour les deux études d’ondes pulsées et continu
<ol><li>Remplir un réservoir d’eau acrylique (280 x 141 x 132 mm) avec 4,5 L d’eau déionisée et dégazé. Monter la sonde HIFU et l’hydrophone à large bande co-alignés sur une scène de trois axes manuel micromètre. Puis, complètement submerger le transducteur et l’hydrophone dans le réservoir d’eau. Un schéma de cela est illustré dans la Figure 1.</li>
	<li>Connecter la sonde HIFU à un circuit d’adaptation d’impédance, pour lui permettre d’être conduit à son troisième harmonique (3,3 MHz). Ce circuit est relié directement à la sortie d’un amplificateur de puissance RF. Un générateur de fonctions numérique est connecté à l’entrée de l’amplificateur de puissance et programmé à distance.</li>
	<li>Avant l’exposition en matériel fantôme, utilisez un hydrophone membrane différentiel calibré pour mesurer la pression de pointe négative générée par ce système pour une tension d’entrée donnée sur le générateur de fonctions tel que décrit dans 2. Ces valeurs de tension de référence permet de définir le niveau de pression nécessaire sur le générateur de fonctions numériques.</li>
	<li>Connecter l’hydrophone à large bande (géométriques foyer 63 mm) qui se trouve dans l’ouverture centrale de la sonde HIFU directement à un filtre passe-haut de 5 MHz. Connectez-la à une carte d’acquisition de 14 bits de données (DAQ) via un préamplificateur de 40 dB. Assurez-vous que le filtre passe-haut est connecté avec le biais correct. NOTE : Cette carte a été installée dans un PC de bureau et est utilisée pour contrôler tout le matériel (exemples vous trouverez ce logiciel sous forme de fichiers supplémentaire) et enregistrer les données pour le traitement hors ligne au cours de cette étude.</li>
	<li>Connecter un générateur d’impulsions de transistor-transistor logic (TTL) retard numérique avec des câbles de baïonnette Neill-Concelman (BNC) pour les deux le laser pulsé système et la fonction génératrice pour assurer la synchronisation entre ces systèmes, qui veillera à ce que les 7 ns laser Pulse est coïncident dans la région de cible durant le quatrième pic de raréfaction du transducteur HIFU.</li>
	<li>À l’aide de la méthode décrite dans 1, omettre les BSA et les nanoparticules pour faire un alignement fantôme, qui est un matériel fantôme standard qui contient une cible métallique sphérique de 1 mm (un roulement à billes). Pour y parvenir, verser 25 mL de matériel fantôme dans un moule et ajouter le catalyseur TEMED 62,5 µl, puis attendre environ 20 min pour régler. Mettre en place la cible métallique centrée dans le fantôme, puis ajouter à nouveau 25 mL de solution fantôme, suivie par le catalyseur TEMED 62,5 µl et un autre 20 min attendre.</li>
	<li>Placez l’alignement fantôme dans la 3D support imprimé6, monter sur une scène 3D automatisée et positionner environ afin que la cible métallique est à l’apogée de focale de la sonde HIFU.</li>
	<li>À l’aide de la sonde HIFU pour envoyer une courte durée cycle 10 burst (3 ms) et de l’hydrophone à recevoir (connecté directement à la carte DAQ), la position par rapport à la cible de l’alignement est optimisée grâce à l’emplacement de l’impulsion de l’écho. Le temps réel détecté le signal s’affiche sur l’ordinateur. Régler le temps de vol et signal amplitude à l’aide de l’étape manuelle micromètre que le transducteur de l’HIFU et hydrophone est monté sur. Une fois le temps de vol est défini à 85 µs (un seul aller-retour) et l’amplitude du signal a été agrandie dans les deux directions radiales, ce système sera aligné.</li>
	<li>Couple l’énergie optique de l’oscillateur paramétrique optique (OPO) pompé par le laser pulsé de 532 nm nanoseconde dans le fantôme à l’aide d’un faisceau de fibres de 2 mm. Monter cette fibre dans une deuxième étape de micromètre et position à un angle de 45 ° de l’axe acoustique devant le fantôme (Figure 1). La longueur d’onde de la lumière laser est définie à 680 nm soit visible pour l’alignement. Une fois visible, positionner l’éclairage laser avec le stade de micromètre telle que la cible de l’alignement est centrale dans un faisceau laser de 15 mm de diamètre.</li>
	<li>Positionner le microscope numérique de 20 à 90 x (travail distance 90 mm) et une source de lumière blanche sur les côtés opposés de la citerne d’eau perpendiculaire au plan de propagation de la sonde HIFU. Le microscope est monté sur une scène de petit micromètre. Positionnez-le telles que l’alignement métallique ciblé est centrale et mise au point dans son champ de vision (5 x 6 mm). Remarque : Une fois la procédure ci-dessus terminée, tous les éléments de ce système (HIFU transducteur, hydrophone, illumination laser et microscope) maintenant co correspondent à un emplacement spécifique. L’alignement fantôme peut maintenant être remplacé avec les phantoms imitant le tissu utilisés pour l’étude. Comme le fantôme est monté dans un support attaché à un système de positionnement 3D, différentes régions peuvent être ciblées tout en conservant l’alignement.</li>
</ol>4. détection de seuil cavitation HIFU pulsé expositions
Remarque : La procédure suivante est le même pour les fantômes avec ou sans nanoparticules et doit être répétée trois fois.
<ol><li>Vérifiez que le système PCD est connecté après que déconnexion pour la procédure d’alignement décrit dans 3,8 et régler la longueur d’onde du laser à la SPR des nanoparticules. Utilisez un programme de contrôle personnalisé, régler le générateur de fonction pour produire une salve HIFU 10 cycle (3 µs), qui est synchronisé avec le système de laser. Également utiliser ce programme pour définir une fluence de laser de 0,4, 1.1, 2.1 ou 3,4 mJ/cm2 bien que changer le timing entre le déclenchement de la cuisson de la lampe flash et ouverture de Q-switch dans le système de laser.</li>
	<li>Cibler le pic focal du système HIFU 10 mm profondément dans le fantôme et à 13 endroits uniques, espacées de 5 mm, dans le sens vertical. Dans chacun de ces endroits effectuer une exposition à une dépression HIFU pic unique, avec des fluences quatre laser a déclaré 4.2.</li>
	<li>Utilisation de la gamme des pic négatif pressions 0, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1,92, 2,13, 2,34, 2,53, 2.71, 2,83, 3,00 et 3,19 MPa pour les conditions d’exposition suivants : laser sur une NANOPARTICULE fantôme gratuit et laser éteint dans une NANOPARTICULE fantôme laser sur dans une nanoparticule fantôme. Pour simuler un laser « trompe-l'oeil », exposition, faire fonctionner le système comme décrit, mais ferme l’obturateur manuel sur la sortie de l’OPO. Cette approche assurera que tout bruit RF généré sera toujours présent pour le système PCD.</li>
	<li>Tous les réglages et les positions de l’exposition dans le programme de contrôle du programme, puis exécuter pour effectuer ces mesures. Les données PCD sont numérisées et stocké directement à l’aide de la carte d’acquisition de données pour le post-traitement. Pour chaque paramètre de l’exposition, 500 Répétez les expositions sont acquis6.</li>
	<li>Traiter les émissions large bande détectées par le système PCD de l’exposition HIFU de courte durée dans les fantômes en utilisant la technique détaillée par McLaughlan et al. (2017) 6.</li>
</ol>5. thermal Denaturation de vague continue HIFU expositions
Remarque : La procédure suivante est le même pour les fantômes avec ou sans nanoparticules et ont été répétés trois fois.
<ol><li>Définir le système de laser pour donner une fluence de 3,4 mJ/cm2 et le générateur de fonction de donner une exposition CW (chaque rafale de 330 000-cycle est synchronisé à une impulsion laser). Dans 11 sites uniques dans le fantôme, sélectionnez une pression négative de crête de 0,20, 0.62, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1,92, 2,13, 2.34, 2,53 ou 2,71 MPa.</li>
	<li>Utiliser un temps d’exposition totale de 17 s afin d’acquérir 1 s de référence avant et après une exposition HIFU 15 s CW dans le fantôme. Pendant ce temps de l’exposition totale, le système d’acquisition de données enregistre les données PCD. Le microscope est relié à la commande de PC et les cadres d’image sont enregistrés pendant cette période pour fournir une visualisation directe de la formation de lésions thermiques.</li>
	<li>Répétez le processus à 4.3 pour toutes les conditions d’exposition différente décrites en 4.4.</li>
	<li>Traiter toutes les données PCD hors ligne pour calculer la dose de cavitation inertielle25 pour chaque exposition.</li>
</ol>

<ol>
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L’auteur n’a rien à divulguer.

Ce protocole est divisé en quatre sections distinctes, décrivant la fabrication du fantôme imitant le tissu à travers les expositions CW en eux pour produire une dénaturation thermique générée. Cette dénaturation des fantômes simule une nécrose de coagulation thermique généré vécue par les tissus mous exposés à HIFU1. Lors de leur fabrication, il est important de s’assurer que le rapport entre APS et TEMED est telle que le processus catalysent pas trop vite. Comme ce processus est exothermique, plus vite ce taux, le plus élevé la température a atteint25 et donc pourrait dénaturer les protéines BSA avant l’exposition. Le ratio des APS de TEMED dans le présent protocole a été défini telle que cela ne devrait pas fonctionne, cependant les moules pourraient être placés dans l’eau glacée pendant la polymérisation du gel pour minimiser encore plus cette possibilité.
Comme ce protocole met l’accent sur la nucléation de cavitation en combinant des nanoparticules, illuminations laser et l’exposition de l’HIFU, une étape cruciale dans la fabrication des fantômes gel est leur dégazage sous vide pendant au moins 30 min. Une fois exposé à l’HIFU (en particulier les expositions CW), même si une lésion thermique n’était pas présente, il est important de cibler un endroit frais dans les fantômes de gel pour éviter les noyaux préexistants. Lorsque le déplacement du fantôme à l’aide de l’ordinateur contrôlé système de traduction, il est important pour s’assurer que la profondeur de l’HIFU centrées (et donc région alignée) est cohérente. Cela garantit que les niveaux de fluence HIFU pression et laser sont uniformes pour chaque paramètre d’exposition spécifiques. Pour ce protocole et après la mise en place initiale du titulaire du fantôme, il est alors seulement traduit dans l’axe vertical.
Les gels de tissus imitant thermosensibles sont largement utilisés par l’HIFU recherche communautaire25, car ils fournissent un mécanisme visual pour surveiller la formation d’une lésion thermique. Cette étude a été le premier exemple d’en les combinant avec des nanoparticules et de démontrer l’amélioration fournie à la formation de lésions grâce à l’activité contrôlée de cavitation. Toutefois, même si elles sont classées comme tissus imitant pour leur réaction à la température, tant leur atténuation optique et acoustique n’est pas. En raison de la nécessité de visualiser la formation de lésions dans les gels, les fantômes sont près de transparent, avec une légère teinte jaune. Comme la fluence du laser est rajustée pour tenir compte de cela, il ne veut pas dire que la lumière laser illuminant la région cible est collimaté plutôt que par diffusion, comme ce serait pour les tissus normaux. Ainsi pour permettre la traduction clinique illumination multiples sources seraient nécessaires pour assurer suffisamment fluence sur la surface. Actuellement ce travail respecte les lignes directrices22 pour l’utilisation sécuritaire des lasers lorsqu’ils sont exposés à la peau. Cela limiterait la fluence du laser maximale réalisable en profondeur ; ainsi, cette technique serait initialement adaptée au traitement des cancers superficiels tels que le cancer du sein, ou tête et du cou. En outre, les nanoparticules plasmoniques destinés aux récepteurs de surface pour ces types de cancers pourraient fournir une sélectivité accrue dans les traitements. Toutefois, même s’il s’agit d’un domaine très actif de recherche, aucuns ces particules ne sont actuellement approuvés pour l’usage clinique.
L’atténuation acoustique des fantômes avec des nanoparticules a été mesurée 0.7±0.2 dB/cm6et, par rapport à la valeur pour les tissus mous de 3 à 4 dB/cm, il est nettement plus faible. Ainsi, le chauffage des expositions HIFU dans ces gels serait inférieur serait observée dans les tissus mous. Il a été démontré que plus de perles de verre au gel augmente les niveaux d’atténuation semblables au tissu mou,25. Toutefois, dans cette application, cette approche n’est pas possible car ces perles seraient agir une sources de nucléation pour activité de cavitation même en l’absence des nanoparticules et dénaturer ainsi le seuil de la cavitation. Si l'on compare l’efficacité de chauffage pour les résultats de l’étude par Choi et al. (2013) 25, lésions thermiques ont été générées à des gammes de pression maximale de 14-23 MPa (il n’est pas précisé s’il s’agissait de pression de crête positive ou négative). Cela a été interprété à 1,1 MHz, l’atténuation dans les fantômes était inférieure à utilisé dans cette étude. Néanmoins, l’approche NANOPARTICULE-nucléées dans cette étude a été en mesure de générer des lésions thermiques dans ces fantômes à des pressions allant de 1.19 à 3,19 MPa, ce qui démontre une efficacité accrue sur les méthodes actuelles.
Futurs tests pour cette méthodologie devrait être entreprise un modèle in vivo d’incorporer la réduction de la tumeur, perfusion tissulaire, moléculaire, ciblage des nanoparticules et des paramètres pertinents d’atténuation acoustique.

Haute intensité (HIFU), d’ultrasons focalisés ou concentrés chirurgie à ultrasons (FUS), est une technique non invasive et non ionisantes qui est utilisée pour l’ablation thermique de tissu sous-cutané1. L’utilisation principale de HIFU est dans le traitement des tissus mous tumeurs2, mais ça commence à être utilisé pour d’autres applications, comme le traitement de tumeurs osseuses3 ou des affections neurologiques4. Il existe deux principaux facteurs qui limitent l’utilisation généralisée de l’HIFU dans la clinique : tout d’abord, difficultés dans le Guide de traitement et Deuxièmement, traitement long temps5. La combinaison de l’HIFU, l’illumination laser pulsé et plasmoniques nanotiges or décrite par cette méthode pourrait fournir un moyen de surmonter les limitations actuelles de HIFU6.
Au cours d’expositions HIFU, le mécanisme dominant de l’ablation de tissus est dommage thermique. Toutefois, l’activité cavitation peut également jouer un rôle de8. Activité de cavitation qui se produit au cours d’expositions HIFU peut se composer de deux mécanique et/ou thermiquement médiée par cavitation. Cavitation mécaniquement médiation est communément appelé cavitation acoustique7, qui est sous-catégorisé comme bulles subissant un comportement non-à inertie ou inertie9 . Cavitation thermiquement médiatisée dans la formation de poches de gaz, par le biais d’ex-solution ou vaporisation et est communément appelé « bouillir »10. Activité de la cavitation, la plupart couramment cavitation inertielle, s’est avéré améliorer le thermique chauffage tarifs faisable par HIFU expositions11 et contribuer ainsi à aborder l’un des ses principales limites. Toutefois, la formation et l’activité de la cavitation durant les expositions HIFU peuvent être imprévisibles et conduisent à des effets négatifs tels que trop traités régions ou asymétrique ablation thermique12. Afin de contrôler l’activité de la cavitation durant les expositions HIFU, l’introduction du noyau externe a été étudiée. Ceux-ci peuvent prendre la forme de microbulles13, déphasage nanoemulsions14 ou nanoparticules plasmoniques15. Les microbulles et nanoemulsions ont démontré pour améliorer le signal-bruit pour ablation thermique améliorée et d’imagerie. Toutefois, leur caractère transitoire signifie qu’ils ont des fonctionnalités limitées sur des expositions répétées de HIFU. Suivi de l’activité de la cavitation durant les expositions HIFU est fait en utilisant une détection de cavitation active ou passive (ACD ou PCD, respectivement). PCD est une technique privilégiée pour la détection de cavitation, car elle peut être réalisée en même temps que les expositions HIFU et fournit des informations de contenu spectrales. Ce contenu spectral peut alors doser plus loin pour aider à identifier le type d’activité de la cavitation se produisant16. Emissions sonores à large bande sont utilisées, puisque ces émissions sont uniques à la présence de cavitation inertie10 et sont liées aux HIFU renforcée chauffage11.
Photoacoustique imaging (PAI) est une clinique d’imagerie technique17, qui combine la sélectivité spectrale de l’excitation de laser pulsé avec la haute résolution des ultrasons, imagerie18émergentes. Il a précédemment été utilisé pour guider l’HIFU expositions19, mais cette technique d’imagerie est limitée par la profondeur de pénétration de la lumière laser. Nanoparticules d’or plasmoniques permet d’agir comme agents de contraste augmente l’absorption locale de lumière laser et par la suite l’amplitude de photoacoustique émissions20. Pour fluences laser suffisamment élevé, il est possible de provoquer la génération de bulles de vapeur microscopiques qui peuvent être utilisés pour l' imagerie très localisées21. Cependant, ces niveaux d’exposition dépasse la limite d’exposition admissible maximale pour l’utilisation de la lumière laser dans les humains22généralement et donc ont un usage limité. La méthode employée dans cette étude a déjà montré qu’en exposant simultanément les nanoparticules plasmoniques à deux laser illumination et HIFU, la fluence du laser et des pressions acoustiques nécessaires pour nucléée ces bulles de vapeur petit est considérablement réduite, et le rapport signal-bruit pour l’imagerie est une augmentation de23. Une méthode est décrite ici pour combiner des nanoparticules plasmoniques avec laser et expositions HIFU pour une technique hautement contrôlable pour la nucléation et l’activité de bulles de vapeur.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Single Element HIFU transducer</td>
			<td>Sonic Concepts</td>
			<td>H-102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>55dB Power Amplifier</td>
			<td>E&#38;I</td>
			<td>A300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Function Generator</td>
			<td>Keysight Technologies</td>
			<td>33250A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Differential Membrane Hydrophone</td>
			<td>Precision Acoustics Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TTL Pulse Generator</td>
			<td>Quantum Composers</td>
			<td>9524</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nd:YAG Pulse Laser</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>Surelite I-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OPO Plus</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>Surelite</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibre Bundle</td>
			<td>Thorlabs Inc</td>
			<td>BF20LSMA01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Energy Sensor</td>
			<td>Thorlabs Inc</td>
			<td>ES145C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanorods</td>
			<td>Nanopartz</td>
			<td>A12-40-850</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Broadband detector</td>
			<td>Sonic Concepts</td>
			<td>Y-102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 MHz high pass filter</td>
			<td>Allen Avionics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40dB preamplifier</td>
			<td>Spectrum GmbH</td>
			<td>SPA.1411</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14-bit data acquisition card</td>
			<td>Spectrum GmbH</td>
			<td>M4i.4420x8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionised Filtered Water</td>
			<td>MilliQ</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylamide/Bis-acrylamide solution</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A9927</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 mol/L TRIS Buffer</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T2694</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium Persulfate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A3678</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine serum albumin</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A7906</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEMED</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T9281</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>CEL-UK</td>
			<td>Robox</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3-axis positioning system</td>
			<td>Zolix</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Microscope</td>
			<td>Dino-lite</td>
			<td>AM4113TL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Tank</td>
			<td>Muji</td>
			<td>Acrylic Tank</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Components</td>
			<td>Thorlabs Inc</td>
			<td>Various</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optomechanical Components</td>
			<td>Thorlabs Inc</td>
			<td>Various</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BNC Cables</td>
			<td>RS</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desktop PC</td>
			<td>Custom Made</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hotplate Stirrer</td>
			<td>Fisher</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SBench6</td>
			<td>Spectrum GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Measurement software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

controllable nucleation of cavitation from plasmonic gold nanoparticles for enhancing high intensity focused ultrasound applications

Dans cette étude, nanoparticules d’or plasmoniques étaient exposés simultanément à des ultrasons de léger et haute intensité concentrée de laser pulsé de proche infrarouge (HIFU) pour la nucléation contrôlable de cavitation en tissu imitant les fantômes de gel. Ce protocole in vitro a été développé afin de démontrer la faisabilité de cette approche, pour les deux amélioration des applications d’imagerie et thérapeutiques pour le cancer. Le même appareil peut être utilisé pour des applications d’imagerie et de thérapeutiques en faisant varier la durée de l’exposition du système HIFU. Pour les expositions de courte durée (10 µs), des émissions acoustiques à large bande ont été générées par le biais de la nucléation contrôlée de cavitation inertielle autour des nanoparticules d’or. Ces émissions de fournissent une localisation directe des nanoparticules. Pour de futures applications, ces particules peuvent être fonctionnalisés avec ciblage moléculaire des anticorps (anti-HER2 pour le cancer du sein par exemple) et peuvent fournir une localisation précise des régions cancéreuses, compléter le diagnostic systématique de l’échographie. Pour les expositions ondes continue (CW), l’activité de cavitation est utilisée pour augmenter le chauffage localisé de l’expositions HIFU résultant dans plus grands dommages thermiques dans les fantômes de gel. L’acoustiques émissions résultant de l’activité de cavitation inertielle au cours de ces expositions CW a été suivie à l’aide d’un système de détection (PCD) de cavitation passive pour fournir la rétroaction de l’activité de la cavitation. Chauffage localisé accrue a été réalisée uniquement grâce à la combinaison unique des nanoparticules, la lumière laser et HIFU. Une validation de cette technique dans des modèles précliniques de cancer est nécessaire.

Détection de cavitation pulsé expositions HIFU
Le système de détection de cavitation passive a enregistré les données de tension/heure pour les expositions de la gamme de HIFU et laser dans les deux fantômes avec et sans nanoparticules. La figure 2 montre les résultats représentatifs pour une série d’expositions. Les échelles de temps sur ces parcelles sont tronqués pour mettre en valeur les régions où les émissions acoustiques à large bande devrait, en raison de l’heure de vol de ces émissions. La figure 2 montre que c’est seulement quand il y a une combinaison de nanoparticules, HIFU exposition laser une illumination et que les émissions à large bande sont détectées. Cependant, c’est encore un phénomène de seuil, comme à la plus faible pression acoustique Figure 2 h émissions large bande n’ont pas détectées. La durée de ces émissions correspondent généralement à la durée de l’exposition HIFU, qui était d’environ 10 µs dans cette étude.
Dénaturation thermique de l’exposition CW HIFU
La figure 3 montre qu'une série d’images acquis auprès le bus série universel (USB) caméra lors d’une exposition unique de HIFU avec illumination laser, pour les types de trois expositions différentes (avec ou sans éclairage laser et/ou de nanoparticules). Cette figure montre un exemple de la formation des lésions thermiques dans les fantômes de gel pour chacune de ces conditions. Dans cette perspective l’HIFU ouverture passe de gauche à droite. Pour l’exemple illustré à la Figure 3 le pic de pression négative était 2,53 MPa, qui était le bord supérieur de ce qui a été utilisé dans cette étude.
Dose de cavitation inertielle enregistrement (CIM) expositions CW HIFU
La figure 4 illustre les résultats représentatifs du calcul du CIM a enregistré au cours d’expositions CW HIFU. Ces données étaient post traitée contre les émissions enregistrées par le système PCD pendant l’exposition. Figures 4 a, 4C et 4e montrent qu’à une plus faible pression négative de pic, aucune émission à large bande ont été détectées, où les Figures 4 b, d et f montrent que le CIM a été enregistré tout au long de l’exposition. Les signaux de CIM plus élevés ont été observés pendant l’exposition dans un gel contenant des nanoparticules avec des expositions HIFU et de laser (Figure 4f).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg"> Figure 1. Une représentation schématique de l’appareil expérimental utilisé dans cette étude. Pour plus de clarté, le microscope USB et la source lumineuse sont omis, mais la région vue est illustrée par une boîte bleue en pointillés. CNC - commande numérique par ordinateur, AuNR - nanotiges en or. Adaptation du McLaughlan et al. (2017) 6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg"> Figure 2. Un exemple de la trace de tension enregistré avec le système de détection de cavitation passive lors de courtes expositions HIFU, avec/sans illumination laser simultanée. Lorsqu’il est utilisé, la fluence du laser était 2,1 mJ/cm2 avec une pression de crête négative de (a-c) 3.0, 2.13 (d-f) et (g-i) 1,43 MPa. LS - laser, NR - nanoparticules. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg"> Figure 3. Individu encadre tantôt 0, 5, 10 et 15 s lors d’une exposition HIFU enregistrée par le microscope USB. La fluence du laser était 3,4 mJ/cm2 et max. pression négative de 2,53 MPa. Séquence (un) a été avec l’exposition de laser et un fantôme sans nanoparticules, (b) est sans exposition laser et d’un fantôme contenant des nanoparticules et (c) a la fois illumination laser et un fantôme contenant des nanoparticules. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg"> Figure 4. Calculée par inertie cavitation dose (CIM) inscrits au répertoire au cours d’expositions (a, b, e et f) et (c et d) sans illumination laser. Pression négative de pointe a été soit (a, c et e) 0,91 ou (b, d et f) 2.53 MPa. Le fantôme utilisé dans (a & b) ne contenait pas des nanoparticules. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications at JoVE.com

Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications

Ce protocole montre la nucléation contrôlable de la cavitation dans les fantômes de gel, par le biais de l’exposition simultanée à la fois proche infrarouge lumière pulsée laser et ultrasons de haute intensité concentrée (HIFU). L’activité de la cavitation peut alors servir pour améliorer les utilisations d’imagerie et/ou thérapeutiques de HIFU.

Nucléation contrôlable de Cavitation de nanoparticules d’or plasmoniques pour renforcer la haute intensité porté Applications ultrasons

In this study, plasmonic gold nanoparticles were simultaneously exposed to pulsed near-infrared laser light and high intensity focused ultrasound (HIFU) ...

Cette méthode peut aider à répondre aux questions clés dans le domaine des ultrasons ciblés de haute intensité, comme peut l’échographie laser cavitation nucléée être utilisé pour guider, et aussi améliorer les traitements du cancer HIFU. Le principal avantage de cette technique est que grâce à la combinaison de nanoparticules, HIFU, et l’éclairage laser, il peut surmonter les limites de chacune de ces modalités par eux-mêmes. Fabriquez des fantômes pour démontrer la méthode de nucléation.Commencez par de l’eau dé-ionisée, dé-gazée et à température ambiante dans un bécher en verre. En outre, préparer 40% de poids par volume acrylamide / bis-acrylamide solution. Ajouter la solution à l’eau, suivie d’un tampon, et le persulfate d’ammonium.Placez le bécher à l’intérieur d’une chambre à vide située sur une plaque d’agitateur magnétique. Ajouter une barre magnétique d’agitation PTFE de 40 millimètres de long au bécher et remuer à vitesse moyenne. Ajouter lentement la poudre d’albumine de sérum bovin.Une fois terminé, fermez la chambre à vide et démarrez la pompe à vide. Maintenir le vide cible et continuer à remuer pendant 60 minutes. Ensuite, relâchez le vide et continuez à travailler avec la solution.Ajouter des nanoparticules pour les fantômes qui en ont besoin. Pour tous les fantômes, ajouter le catalyseur. Après cinq minutes de mélange, verser la solution dans des moules individuels et attendre 20 minutes.Il s’agit d’un exemple d’un fantôme qui est réglé et a été retiré du moule. Il est prêt à l’emploi dans l’expérience. Une fois les fantômes réglés, conservez les fantômes démolés dans un contenant hermétique.Pour produire un fantôme d’alignement, commencez par la solution fantôme. Placer le bécher et remuer la barre dans une chambre à vide sur un agitateur magnétique. Commencez à remuer à vitesse moyenne et pompez la chambre jusqu’au vide cible.Après avoir récupéré la solution, verser 25 millilitres dans un moule et ajouter le catalyseur. Attendez 20 minutes avant de placer une cible métallique sphérique d’un millimètre au centre du fantôme. Puis, versez encore 25 millilitres de la solution fantôme dans le moule.Ajouter le catalyseur et attendre encore 20 minutes. Lorsqu’il est réglé, le fantôme d’alignement est prêt à être utilisé ou entreposé dans un contenant hermétique. Préparez la configuration de l’expérience.Pour cela, avoir un réservoir d’eau acrylique avec 4,5 litres d’eau dé-ionisée et dé-gazée. À une extrémité du réservoir, placez un absorbeur acoustique. Ensuite, tournez l’attention sur le transducteur d’ultrasons focalisée de haute intensité.Montez-le et c’est l’hydrophone à large bande co-aligné sur une étape de micromètre à trois axes. Submergez complètement le transducteur et l’hydrophone dans le réservoir pour faire face à l’absorbeur. Connectez le transducteur à un circuit correspondant à l’impédance qui lui permettra d’être conduit à son troisième harmonique.Ce circuit est relié directement à la sortie d’un amplificateur de puissance RF, qui a un générateur de fonction numérique comme son entrée. Le générateur de fonction est programmé à distance. Après étalonnage, obtenez un fantôme d’alignement pour continuer à mettre en place.Le fantôme doit être dans un support imprimé 3D et monté sur une scène 3D automatisée. Placez le fantôme de sorte que la cible magnétique est au sommet focal approximatif du transducteur. Maintenant, connectez l’hydrophone directement à la carte d’acquisition de données.Utilisez le transducteur et l’hydrophone pour faire écho à la cible d’alignement. Envoyez une rafale de trois microsecondes et de 10 cycles et affichez le signal détecté en temps réel sur l’ordinateur. Ajustez l’étage micromètre du transducteur pour modifier l’heure de vol et l’amplitude du signal.Le système est aligné une fois que le temps de vol est de 85 microsecondes et que l’amplitude du signal est maximisée. Ensuite, connectez l’hydrophone à large bande directement à un filtre à passage élevé de cinq mégahertz. Envoyez le signal par un pré-amplificateur de 40 décibels, puis vers une carte d’acquisition de données.Maintenant, installez l’éclairage laser pour l’échantillon. Synchronisez un laser à impulsions de 532 nanomètres avec le générateur de fonction par un générateur d’impulsions numériques TTL. Utilisez le laser pour pomper un oscillateur paramétrique optique.Couplez sa sortie dans le fantôme avec un faisceau de fibres de deux millimètres. Au réservoir, monter cette fibre sur une scène de micromètre. Placez la fibre devant le fantôme à un angle de 45 degrés par rapport à l’axe acoustique.Pour l’alignement, utilisez la lumière visible. Placez le faisceau pour avoir la cible d’alignement au centre d’une tache laser de 15 millimètres. Enfin, placez un microscope numérique et une source de lumière blanche sur les côtés opposés du réservoir d’eau.Montez le microscope sur une scène de micromètre. Positionner pour que la cible d’alignement soit mise au point dans son champ de vision. Assurez-vous que le fantôme correct est en place.Dans ce cas, le fantôme de tissu approprié remplace le fantôme d’alignement. Accordez la longueur d’onde laser à la résonance plasmon de surface de la nanoparticule. À l’ordinateur de commande, réglez le transducteur pour produire une rafale de 10 cycle, et pour régler la fluence laser.Ciblez le pic focal de l’ultrason focalisé de haute intensité éclaté de 10 millimètres de profondeur et à 13 endroits uniques dans la direction verticale espacée de cinq millimètres. Assurez-vous qu’un fantôme tissulaire est en place dans le réservoir. Ensuite, avec le logiciel, définissez la fluence et les paramètres d’exposition continue aux ondes.Utilisez le microscope pour enregistrer la formation de lésions thermiques car l’échographie focalisée de haute intensité avec une pression négative maximale choisie est dirigée à un seul endroit. Ces données sont la tension du détecteur par rapport au temps pour l’exposition à ultrasons focalisée de courte et haute intensité pour différents fantômes dans des conditions différentes. Dans ces ensembles de données, les fantômes ont également été exposés à l’éclairage laser.Cependant, un fantôme n’avait pas de nanorods et un fantôme l’a fait. Dans ces ensembles de données, les deux fantômes avaient des nanorods, mais l’un a été exposé à l’éclairage laser et l’autre fantôme ne l’était pas. Cela démontre que les émissions à large bande ne sont détectées que lorsque les nanoparticules, l’exposition aux ultrasons et l’éclairage laser sont tous présents.Cette vidéo au microscope fournit un exemple de la formation de lésions thermiques et de cavitation dans un fantôme gel avec des nanorods exposés à des ultrasons focalisés de haute intensité et l’illumination laser. Tout en essayant cette procédure, il est important de se rappeler de porter l’équipement approprié de protection individuelle lors de la manipulation des produits chimiques et de s’assurer qu’une protection oculaire correcte est utilisée lors de l’utilisation du laser. Après son développement, cette technique pourrait ouvrir la voie à des chercheurs dans le domaine de la thérapie par ultrasons ciblée de haute intensité pour explorer l’utilisation de nanoparticules moléculaires ciblées pour améliorer les traitements contre le cancer par des ablations thermiques ciblées et rapides.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers

Synthèse et fonctionnalisation des dopé à l&#39;azote Coupes de nanotubes de carbone avec des nanoparticules d&#39;or que les bouchons de liège

Nitrogen-doped carbon  nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as  nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs).  These ...

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Conception, fabrication et expérimentale Caractérisation des plasmoniques émetteurs térahertz Photoconductive

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

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Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Mesure de la diffusion non-linéarités d&#39;une nanoparticule plasmonique Simple

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

Hybrid multifonctionnel Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Au Nanoparticules pour Efficient chauffage plasmonique

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

basée capillaire dispositif microfluidique centrifuge pour Taille contrôlable formation de microgouttelettes monodisperse

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Synthèse de nanoparticules d&#39; or sans agrégation dans l&#39;espace intercalaire de Layered titanate Films transparents

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonique et Piégeage Libération de Nanoparticules dans un environnement de surveillance

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...