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
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この作品は、EPSRC によって支えられた EP/J021156/1 を与えます。著者は、初期キャリア Leverhulme フェローシップ (ECF-2013-247) からのサポートを確認したいと思います。

1. ファントムの製造を模倣した組織
注: 本研究のすべてのエクスポー ジャーに使用される光学的に透明な組織模倣ファントムの音響特性の詳細な分析は、チェ ・らで見つけることができます。24
注: ファントム金型を含むソリューションでは、約 50 mL とバッチごとに合計 5 つの金型が満ちています。したがって、ファントム溶液 250 mL の合計が用意しています。
<ol><li>500 mL ガラス製ビーカーと部屋の温度平衡にままに脱イオン フィルター、脱水 148.2 mL (60 %v/v) を追加します。続く 25 mL の 1 M トリス バッファー、pH 8 (10 %v/v)、および 10% 過硫酸アンモニウム (APS; 0.86 %v/v) 2.15 mL 40% (重量/体積) ガラス ビーカーにアクリルアミド/ビス-アクリルアミド ソリューション (30 %v/v) 75 mL を追加します。</li>
	<li>マグネチックスターラー プレートにある真空チャンバ内ガラス ビーカーを置き、ビーカー内に 40 mm 長いポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) の磁気撹拌棒を配置します。攪拌スピード中 (すなわち、確実に水の渦の形成のためのないよい混合)、ゆっくりとウシ血清アルブミン (BSA) 粉末 22.5 g (9 %w/v) を追加。</li>
	<li>すべて BSA をソリューションに追加すると、真空チャンバーを閉じ、真空ポンプをオンにします。80h mBar の真空を維持し、真空リリース後、さらに 60 分間攪拌を続行します。この時点で、ソリューションは黄色がかって明確なはずです。</li>
	<li>上記の方法論は、ファントムとナノ粒子なしの同じです。ナノ粒子は、必要がある場合は追加 10 μ L (1 x 108 np/mL の濃度) 850 表面プラズモン共鳴 (SPR) を持つナノロッドの nm、直径 40 nm。</li>
	<li>最後に、テトラメチルエチレンジアミン (TEMED) ファントムの重合触媒の 125 μ L を追加します。ミキシング、ようにさらに 5 分待って 5 個 々 の金型にファントムの溶液を注ぐし、設定を 20 分を待ちます。一度設定、所有者から削除し、使用するまで密閉容器で保存します。製造の 24 h 内でファントムを使用します。</li>
</ol>2. HIFU トランスデューサー場音響圧力の校正
注: プロトコルのこのセクションが示した/イメージング実験の前に必要ではありません。校正手順をシステムの音響出力を確保する一定の間隔で実行するが正しいです。
<ol><li>4.5 L の脱イオンと脱水とアクリル水槽 (280 × 141 × 132 mm) を入力します。HIFU トランスデューサーを直面しているタンクの端の固定位置ポストにマウントします。校正 (国立物理学研究所によって実行されます)、このマウントに平行膜ハイドロホン HIFU トランスデューサー (63 mm) のおおよその中心点の 3 軸手動マイクロメータのステージに。</li>
	<li>HIFU トランスデューサーを接続 (幾何学的焦点を 63 mm) (、図 1に示すように)、アンプの電源インピー ダンス整合回路に。電力増幅器 (図 1) に接続されているファンクション ・ ジェネレーターからトリガー信号が提供されることを確保するデータ集録システムに直接膜ハイドロホンを接続します。</li>
	<li>関数発生器の出力電圧を 30 に設定 mV、100 Hz のパルス繰り返し周波数で 10 サイクル 3.3 MHz 正弦波。</li>
	<li>測定ソフトウェアを使用して (材料の表を参照) 検出の音響信号とマイクロメータ ステージを可視化、飛行 (42.5 μ m) の正しい時に検出された音響パルスを配置します。マイクロメータ ステージ上で一度にのみ単一半径方向を使用して、検出された音響信号を最大化します。自信を持ってこれが達成されている、一度ソフトウェアを閉じて膜ハイドロホンの現在の位置のままにします。</li>
	<li>20 mV 単位で 20 400 mV から関数発生器の出力電圧が異なります。各電圧レベルおよび使用における MatLab 集録ソフトウェア, ハイドロホンのレコードを通知します。各レベルで 100 パルスを取得し、指定された校正データを用いた圧力で電圧データから変換します。データを平均し、すべて出力電圧レベルのピーク正と負の値の両方を測定します。これは両方パルス用に供する場ピーク負圧の調整データを与え、波の研究を続けています。</li>
</ol>3. 両方のパルスおよび連続波研究実験装置の構成
<ol><li>4.5 L の脱イオンと脱水とアクリル水槽 (280 × 141 × 132 mm) を入力します。HIFU トランスデューサーと 3 軸手動マイクロメータ舞台に極大広帯域ハイドロホンをマウントします。その後、完全に水没トランスデューサーと水槽でハイドロ。この回路図は図 1に示します。</li>
	<li>その第三次高調波 (3.3 MHz) で駆動されるようにそれを有効にする、インピー ダンス整合回路に HIFU トランスデューサーを接続します。この回路は、RF 電力増幅器の出力に直接接続されます。デジタル ファンクションジェネレーター電力増幅器の入力に接続し、リモートでプログラムします。</li>
	<li>ファントム材料の露光前にこのシステム関数発生器 2 で説明されているように与えられた入力電圧から発生するピーク負圧を測定するのに校正差分膜ハイドロホンを使用します。デジタル関数発生器に必要な圧力レベルを設定するのにはこれらの参照電圧の値を使用します。</li>
	<li>広帯域ハイドロホンを接続 (幾何学的な焦点を 63 mm) 5 MHz ハイパス フィルターに直接 HIFU トランスデューサーの中央開口部に収容されています。40 dB プリアンプ経由で 14 ビット データ集録カード (DAQ) に接続します。ハイパス フィルターが正しいバイアスと接続されていることを確認します。 注: このカード デスクトップ PC にインストールされた、すべてのハードウェア (例の補助ファイルとしてこのソフトウェアを見つけることができます) を制御するため、本研究中にオフライン処理のためのデータを保存します。</li>
	<li>両方、パルス レーザー システム, ファンクション ・ ジェネレーター、7 を確認するこれらのシステム間の同期を確保するために銃剣ニール Concelman (BNC) ケーブル接続トランジスタ-トランジスタ ロジック (TTL) デジタル遅延パルス発生器 ns のレーザーパルスは HIFU トランスデューサーから第四の膨張のピーク中にターゲット領域で一致です。</li>
	<li>1 で説明した方法を使用して、BSA と 1 mm 球状金属ターゲット (ボール ベアリング) が含まれている標準のファントム材料であるように位置合わせをファントム、ナノ粒子を省略します。これを達成するために金型にファントム材料の 25 mL を注ぐ 62.5 μ l TEMED 触媒を追加し、設定するのには約 20 分を待ちます。幻の金属ターゲットを集中的に配置し、さらに 25 mL 62.5 μ l TEMED 触媒とさらに 20 分続いてファントムのソリューションの追加を待ちます。</li>
	<li>3次元印刷ホルダー6ファントム配置配置、自動 3次元ステージでマウントし、金属ターゲットは HIFU トランスデューサーの焦点ピーク時約配置。</li>
	<li>バースト (3 μ s) と受信するハイドロホン (DAQ カードに直接接続) 短時間 10 サイクルを送信する HIFU トランスデューサーを使用して、配置ターゲット位置パルス-エコー ロケーションを最適化されています。リアルタイムに検出信号をコンピューターに表示されます。HIFU トランスデューサーやハイドロ フォンにマウントされている手動マイクロメータ ステージを使用して飛行し、信号の振幅の時間を調整します。フライトの時刻は 85 μ s (1 往復) に設定し、両方のラジアル方向の信号の振幅を最大表示されている、このシステムが配置されます。</li>
	<li>2 mm のファイバー束を用いたファントムに 532 nm ナノ秒パルス レーザー励起の光パラメトリック発振 (OPO) から光エネルギーのカップル。ファントム (図 1) の前に音響軸から 2 番目のマイクロメータ ステージと 45 の角度で位置にこの繊維をマウントします。レーザー光の波長が 680 に設定されている配置の表示する nm。一度目に見える、中央配置ターゲットは、15 mm 径のレーザー スポットなどマイクロメータ ステージ レーザー照明を配置します。</li>
	<li>20-90 x デジタル顕微鏡の位置 (作業距離 90 mm) と HIFU トランスデューサーの伝搬面に垂直の水タンクの両側に白色光源。顕微鏡は、小さなマイクロ ステージにマウントされます。そのフィールドのビュー (5 x 6 mm) でターゲット金属の配置が中央になるように、フォーカスに配置します。 注: 上記の手順を完了すると、(HIFU トランスデューサー、水中聴音器、レーザー照明、顕微鏡) このシステムのすべての要素が今共同配置されます特定の場所に。ファントムの配置は、研究用組織模倣ファントムに今すぐ交換できます。ファントムが 3次元測位システムに接続されているホルダーにマウントされていると、さまざまな地域は、アライメントを維持しながらターゲット状態にできます。</li>
</ol>4. キャビテーションしきい値検出パルスの HIFU のエクスポー ジャーから
メモ: 次のプロシージャは、ファントム、ナノ粒子の有無と同じですし、3 回繰り返す必要があります。
<ol><li>3.8 で概説されている配置手順が切断された後に PCD システムが接続されていることを確認し、ナノ粒子の SPR にレーザ波長を調整します。カスタム コントロール プログラムを使用して、レーザー システムと同期されている 10 サイクル (3 μ s) HIFU バーストを生成する関数発生器を設定します。またこのプログラムを使用して、フラッシュ ランプ発火・ Q スイッチ レーザー システムの開放のトリガー間のタイミングの変更が 0.4、1.1、2.1、または 3.4 mJ/cm2のレーザー フルエンスを設定します。</li>
	<li>ファントム、深くと 5 mm の垂直方向の間隔、13 のユニークな場所では、HIFU システム 10 ミリメートルの焦点距離のピークをターゲットに。これらの場所のそれぞれで 4.2 で述べた 4 つのレーザ フルエンスで単一ピーク負 HIFU の圧力で露出を実行します。</li>
	<li>ピーク負の範囲を使用する圧力は 0、0.91、1.19、1.43、1.69、1.92、2.13、2.34、2.53、2.71、2.83、3.00 と 3.19 MPa 以下の露出条件: ナノ粒子でのナノ粒子無料ファントム、ファントム、ナノ粒子をレーザーとレーザーのレーザーファントム。'偽' レーザーをシミュレートするには、露出、としてシステムを実行が、OPO の出力上に手動のシャッターを閉め。この方法は、任意の RF の騒音が PCD システムに存在できますを確認します。</li>
	<li>プログラムのすべての設定と露出制御プログラムに位置し、これらの測定を実行します。PCD データがデジタル化され、直接後処理用データ集録カードを使用して格納されます。各露出のパラメーターでは、500 のエクスポー ジャーが取得した6を繰り返します。</li>
	<li>McLaughlanらによって詳細な技術を用いたファントムに短い持続期間の HIFU のエクスポー ジャーから PCD システムによって検出されたブロード バンド排出を処理します。(2017)6。</li>
</ol>5 連続波 HIFU のエクスポー ジャーから熱変性
注: 次の手順はファントム ナノ粒子の有無で同じとは 3 回繰り返し。
<ol><li>3.4 mJ/cm2と (すべて 330,000 サイクル バーストはレーザー パルスに同期) CW 露出を与えるファンクションジェネレーターのフルエンスを与えるレーザー システムを設定します。幻の 11 のユニークな場所で 0.20、0.62、0.91、1.19、1.43、1.69、1.92、2.13、2.34、2.53 または 2.71 MPa の最大負圧を選択します。</li>
	<li>17 の総露光時間を使用して幻の 15 s CW HIFU 照射前後にベースラインの 1 を得るために s。この総露光時間中にデータ集録システム PCD データの記録です。顕微鏡は、制御用パソコンに接続して、画像フレームは熱の病斑形成の直接視覚化を提供するこの時間の間に記録されます。</li>
	<li>4.4 で説明されているすべての異なる露出条件の 4.3 のプロセスを繰り返します。</li>
	<li>各露出のため慣性のキャビテーション線量25を計算するオフラインのすべての PCD データを処理します。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Ter Haar, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasound+focal+beam+surgery.">Ultrasound focal beam surgery.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).</li><li>Kennedy, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-intensity+focused+ultrasound+in+the+treatment+of+solid+tumours.">High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours.</a> Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).</li><li>Rodrigues, D. B., Stauffer, P. R., Vrba, D., Hurwitz, M. 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著者は、何を開示します。

このプロトコルは、生成された熱変性を生成するように CW エクスポー ジャーを通じて組織模倣ファントムの製造を記述する 4 つのセクションに分かれています。ファントムのこの変性は、HIFU1にさらされる軟組織によって経験される生成された熱凝固壊死をシミュレートします。製造、TEMED と AP の比率がそのプロセスを余りにすぐに触媒がないことを確認することが重要です。このプロセスは発熱、早くこのレート、高い温度に達した25こうして露出前に BSA 蛋白質を変化できます。これは発生しません、金型を氷水に配置し、さらにこの可能性を最小限に抑えるためにゲルの重合中にただし、このプロトコルで TEMED AP の比が設定されています。
このプロトコルは、ナノ粒子、レーザー イルミネーションと HIFU 露出の組み合わせによるキャビテーションの核生成に焦点を当て、ファントムの製造の重要なステップは 30 分以上の真空下でガスを抜きです。一度熱病変が存在しない場合でも HIFU (特に CW エクスポー ジャー) を公開、既存の核を避けるためにファントムで新鮮な場所を対象とすることが重要です。翻訳システムをコンピューターを用いたファントムの移動制御、HIFU フォーカス (そして一直線に並べられた地域) の深さを一貫性を確保することが重要です。こう HIFU 圧とレーザーのフルエンス レベルは各特定の露出のパラメーターで統一。このプロトコルとファントムのホルダーの初期配置後、垂直軸で翻訳はだけですし。
25HIFU の研究コミュニティの熱の病変の形成を監視するための視覚メカニズムを提供するように広く温度敏感な組織模倣ゲルを使用します。本研究は、ナノ粒子とそれらを組み合わせると病斑形成制御キャビテーション活動を通じて提供強化を示す最初の例だった。しかし、彼らは温度に対する応答の組織模倣として分類は、両方の光学および音響減衰はありません。ゲルの病斑形成を可視化する必要がある、ため、ファントムが付近のわずかな黄色の色合いで、透明性。このアカウントに、レーザー フルエンスを調整、対象地域を照らすレーザー光は平行ではなく、正常な組織のためになる拡散というわけで。このように臨床的翻訳を複数照明を可能にするソースを表面に十分な流量を確保するため必要とします。現在この作品は肌に露出されたときのレーザーの安全な使用のためのガイドライン22に準拠しています。これは深さで達成可能な最大のレーザー フルエンスを制限したがって、この手法は、乳がんや頭頸部などの表在癌の治療に適している最初でしょう。さらに、プラズモンナノ粒子のこれらのタイプの癌のための表面の受容器を対象とした治療の選択性を提供できます。ただし、にもかかわらずこれは非常にアクティブな研究分野は、このような粒子が現在承認されてない臨床使用のため。
ナノ粒子とファントムの音響減衰は 0.7±0.2 dB/cm6測定し、3-4 dB/cm の軟部組織の値と比較して、極端に低い。したがって、これらのゲルの HIFU のエクスポー ジャーから暖房は軟部組織の観察はより低いでしょう。それは、ゲルにガラスビーズ添加が軟部組織25と同様の減衰レベルを増加することが実証されています。ただし、このアプリケーションでこのアプローチは不可能これらのビーズ、ナノ粒子の不在でもキャビテーション活性の核生成ソースを行動し、従ってキャビテーション閾値を偽る。チェらによる研究の結果との加熱効率を比較する場合(2013)25, 14-23 MPa のピーク圧力範囲で生成された熱病変 (記載されていないこれはピークの正または負の圧力がある場合)。1.1 MHz で実施された、ファントムで減衰だったこの研究で使用されるよりも低かった。それにもかかわらず、本研究ではナノ粒子核アプローチは 1.19 から 3.19 MPa、現在の方法論を示し効率性の向上に至るまでの圧力でこれらのファントムで熱病変を生成できた。
今後のテストこの方法論は, 腫瘍の縮小、組織灌流、分子ナノ粒子と関連する音響減衰パラメーターの標的を組み込む体内モデルで行わなければならないのです。

高強度集束超音波 (HIFU)、集束超音波 (FUS) や皮下組織1の熱凝固用非電離および非侵襲的な手法です。HIFU の主な用途は、軟部組織腫瘍、2の治療が、骨腫瘍3または神経学的な条件4の治療など、他のアプリケーションに使用される始めています。クリニックで HIFU の広範な使用を制限する 2 つの主な要因がある: 第一に、治療指導の難しさと第二に、長い治療時間5。HIFU、パルス レーザーの照明、およびこのメソッドによって記述されたプラズモニック金ナノロッドの組み合わせは、HIFU6の現在の制限を克服するために方法を提供できます。
HIFU 露光中に組織アブレーションの支配的なメカニズムは、熱損傷です。ただし、キャビテーション活動役割8をプレイできます。HIFU の露光時に発生するキャビテーションの活動は、両方の機械的および/または熱媒介キャビテーションで構成できます。機械的に仲介されたキャビテーションは音響キャビテーション7, これは、さらにいずれかの非慣性または慣性9動作を受けている泡のよう 2; と一般的に呼ばれます。熱媒介キャビテーションは ex ソリューションまたは蒸発、を通じて、ガスのポケットの形成から、よく ''10を沸騰と呼びます。キャビテーションの活動は、ほとんど一般的熱加熱 HIFU エクスポー ジャー11達成率を高め、従って 1 つの重要な制限事項に対処するように慣性のキャビテーションを示されています。形成と HIFU 露光時に発生するキャビテーションの活性予測できませんし、マイナスの効果などにつながる過度の治療を地域、または非対称的な熱凝固12。HIFU のエクスポー ジャーの中にキャビテーションの活動を制御するために外部の核の導入が検討されています。これらはマイクロバブル13、位相シフト ナノエマル ジョン14または15プラズモンナノ粒子の形態をとることができます。マイクロバブルとナノエマル ジョン イメージングおよび強化された熱試練の信号にノイズを改善するために示されています。しかし、彼らの一時的な性質は、HIFU の反復暴露で機能が限定されているを意味します。HIFU のエクスポー ジャーの中にキャビテーションのアクティビティの監視は行われるいずれかのアクティブまたはパッシブのキャビテーション検出を使用して (ACD や PCD、それぞれ)。PCD は支持されたキャビテーション検出法 HIFU のエクスポー ジャーと同時に実行することができ、スペクトルのコンテンツ情報を提供します。この成分は、16で発生するキャビテーションの活動の種類を識別するためにさらに分析できます。これらの排出量は慣性のキャビテーション10の存在に一意であり、暖房11強化 HIFU にリンクしているので、ブロード バンド アコースティック ・ エミッションが使用されます。
光音響イメージング (PAI) は、新たなイメージング法17、18超音波の高分解能パルス レーザー励起のスペクトル選択性を組み合わせた臨床です。それは以前、HIFU エクスポー ジャー19をガイドに使用されていますが、このイメージング技術は、レーザー光の浸透深さによって制限されます。金ナノ粒子のプラズモンは、'造影剤' レーザー光の局所吸収とその後音響排出量20の振幅の増加として使用できます。十分に高いレーザー フルエンス局所高画像21使用ことができます微細な気泡を生成することが可能です。しかし、これらの露出レベルは通常人間22、光レーザーの使用のための最大許容暴露限界を超える、使用が限られているため。本研究で採用する方法は以前、プラズモンナノ粒子両方のレーザーを同時に公開することによって照明とこれらの小さな気泡を核に必要な音響の圧力、HIFU レーザー フルエンスは、劇的に減少を示しています。画像の信号対雑音比が増加した23。メソッドは、レーザーと核生成と蒸気泡の活動の高度制御技術のための HIFU エクスポー ジャー プラズモンナノ粒子を結合するためここで説明です。

<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

本研究では、金ナノ粒子のプラズモン同時に組織模倣ファントムに生じるキャビテーションの制御可能な核生成の近赤外パルスレーザ光と高の強力集束超音波 (HIFU) にさらされました。癌のイメージングと治療的応用の両方の強化のため、このアプローチの妥当性を示すこの体外プロトコルが開発されました。同じ装置は、HIFU システムの暴露時間を変化させることによりイメージングと治療の両方のアプリケーションに使用できます。短時間露光 (10 μ s)、ブロード バンド アコースティック ・ エミッションは慣性のキャビテーション金ナノ粒子の制御された核生成を通じて生成されました。これらの排出量は、ナノ粒子の直接的なローカライゼーションを提供します。将来のアプリケーション、これらの粒子は分子標的抗体 (例えば抗 HER2 乳癌) を機能可能性があります、ルーチンの超音波診断の画像を補完する癌の領域の正確な局在を提供できます。連続波 (CW) 露光のためキャビテーション活動はファントムより大きい熱損傷の結果として HIFU のエクスポー ジャーから局所加熱を増やすに使用されました。これらの CW のエクスポー ジャーの中に慣性のキャビテーションの活動から生成されたアコースティックエ ミッションは、キャビテーション活動のフィードバックを提供する受動的なキャビテーション検出 (PCD) システムを使用して監視されました。増加するローカライズされた加熱のみ、ナノ粒子、レーザー光と HIFU のユニークな組み合わせによって達成されました。癌の前臨床モデルでこの技術の更なる検証が必要です。

キャビテーション検出パルスの HIFU のエクスポー ジャーから
受動的なキャビテーション検出システムは、ナノ粒子と両方のファントムに HIFU 範囲とレーザー露光のため電圧/時刻データを記録しました。図 2は、エクスポー ジャーの範囲の代表的な結果を示しています。これらのプロットの時間スケールは、これらの排出量のフライトの時間により、ブロード バンド ・ アコースティック ・ エミッションを期待と領域を強調する切り捨てられます。図 2を示して、それはナノ粒子の組み合わせがある時のみ HIFU 露出とレーザー照明ブロード バンド排出量が検出されています。しかし、これはまだしきい値現象として図 2 hの低い音圧でブロード バンドの排出量が検出されませんでした。これらの排出量の期間は、通常、本研究では約 10 μ s をだった HIFU の露出の長さに対応します。
CW HIFU 露出から熱変性
図 3は、一連のフレームから取得したユニバーサル シリアル バス (USB) カメラ (有無/レーザー照射やナノ粒子) の 3 つの異なる露出タイプのレーザー照射による単一 HIFU 露光中に示しています。この図は、これらの条件のそれぞれのファントム熱病変形成の例を示します。このビュー、HIFU で露出は右に左から発生します。ピークを図 3に示す例の負圧だった 2.53 MPa 本研究で使われていたものの上端。
CW HIFU のエクスポー ジャーから慣性のキャビテーションの線量 (ICD) を記録
図 4は、CW HIFU 露光中に記録された ICD の計算から代表的な結果を示しています。このデータは、露光中に PCD システムによって記録された排出から処理されるポストをだった。図 4 a、4 c 、 4 eより低いピーク負圧でブロード バンド排出量検出されたことがない、ICD が露出を通して記録された表示図 4 b、d、およびfを示します。最高の ICD シグナルが HIFU とレーザー露光 (図 4 階) でナノ粒子を含んでいるゲルの露出の間に観察されました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg"> 図 1。本研究で使用される実験装置の概略図。わかりやすくするため、USB 顕微鏡、光源省略されますが、ビュー領域は青破線のボックスに示されています。CNC コンピューター数値制御、AuNR - 金ナノロッド。図 McLaughlanらから適応(2017)6.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg"> 図 2。HIFU の短い露光、同時レーザー照射の有無による受動的なキャビテーション検知システム記録電圧トレースの例です。使用する場合、レーザー フルエンスは 2.1 mJ/cm2 (a から c) 3.0 の最大負圧、2.13 (d-f)、(g-i) 1.43 MPa だった。LS-レーザー、NR - ナノ粒子。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg"> 図 3。個人が USB 顕微鏡によって記録された HIFU 露光中に時に 0、5、10、15 s をフレームします。レーザー フルエンスは 2.53 MPa の 3.4 mJ/cm2とピーク負圧だった。シーケンス (a) レーザ露光とナノ粒子のないファントム (b) はレーザーの露出なしとナノ粒子を含むファントム、(c) はレーザ光を照射してナノ粒子を含むファントム。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg"> 図 4。レーザ光を照射することがなく慣性キャビテーション線量 (ICD) と (、b、e & f) のエクスポー ジャーの中に記録された、(c & d) を計算します。最大負圧はいずれか (、c & e) 0.91 または (b、d & f) 2.53 MPa。使用されるファントム (、& b) 任意のナノ粒子が含まれていません。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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

このプロトコルは、近赤外パルス レーザー光と強力集束超音波 (HIFU) の両方に同時暴露により、ファントムに生じるキャビテーションの制御可能な核生成を示します。キャビテーションの活動は、HIFU のイメージングおよび/または治療上の使用を強化するため使用できます。

高強度を強化するため金ナノ粒子プラズモニックからキャビテーションの制御可能な核集中超音波アプリケーション

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

この方法は、レーザー超音波有核キャビテーションがガイドに使用されるなど、高強度に焦点を当てた超音波分野の主要な質問に答え、またHIFU癌治療を強化するのに役立ちます。この技術の主な利点は、ナノ粒子、HIFU、およびレーザー照明の組み合わせを通じて、これらのモダリティの限界を克服できることです。核形成方法を実証するファントムを製造する。ガラスビーカーの脱イオン、脱ガス、室温の水から始めます。また、40%重量の体積アクリルアミド/ビスアクリルアミド溶液を調製します。水に溶液を加え、次に緩衝液と過硫酸アンモニウムを加える。ビーカーを磁気攪拌機板に置いた真空チャンバーの中に置きます。長さ40ミリメートルのPTFE磁気攪拌バーをビーカーに加え、中速でかき混ぜます。ゆっくりと牛血清アルブミンパウダーを追加します。完了したら、真空チャンバーを閉じて真空ポンプを開始します。ターゲットの真空を維持し、60分間攪拌を続けます。次に、真空を放出し、溶液の処理を続けます。それらを必要とするファントムのためのナノ粒子を追加します。すべてのファントムに対して、触媒を加えます。5分間混合した後、溶液を個々の金型に注ぎ、20分間待ちます。これは、鋳型からセットされ、取り除かれたファントムの例です。実験で使用する準備ができました。ファントムがセットされたら、気密容器に集まったファントムを保管してください。アライメントファントムを生成するには、ファントム溶液から始めます。ビーカーを置き、磁気スターラーの真空チャンバーにバーをかき混ぜます。中速で撹拌を開始し、チャンバーをターゲット真空にポンプで送ります。溶液を取り出した後、25ミリリットルを型に注ぎ、触媒を加えます。ファントムの中央に1ミリメートルの球状金属ターゲットを配置する前に20分待ちます。次に、別の25ミリリットルのファントム溶液を金型に注ぎます。触媒を加え、さらに20分待ちます。設定すると、アライメントファントムは、気密容器に使用または保管する準備ができています。実験のセットアップを準備します。このためには、4.5リットルの脱イオン、脱ガス水を含むアクリル水タンクを持っています。タンクの一端に、吸音剤を設置します。次に、高強度焦点超音波トランスデューサに注意を向ける。それをマウントし、それは3軸マイクロメートルの段階で同一位置付け広帯域ハイドロフォンです。タンク内のトランスデューサとハイドロフォンを完全に沈め、吸収器に向かいます。トランスデューサをインピーダンスマッチング回路に接続し、3番目の高調波で駆動できるようにします。この回路は、デジタル機能発生器を入力とするRFパワーアンプの出力に直接接続されています。関数ジェネレーターはリモートでプログラムされます。キャリブレーション後、アライメントファントムを取得して設定を続けます。ファントムは3Dプリントホルダーに入っており、自動化された3Dステージに取り付ける必要があります。磁気ターゲットがトランスデューサの近似焦点ピークになるようにファントムを配置します。ハイドロフォンをデータ取得カードに直接接続します。トランスデューサとハイドロフォンを使用して、アライメントターゲットをエコー位置にエコーします。3 マイクロ秒、10 サイクルバーストを送信し、検出された信号をコンピュータ上でリアルタイムで表示します。トランスデューサのマイクロメータステージを調整して、飛行時間と信号振幅を変更します。システムは飛行時間が85マイクロ秒で信号振幅が最大になると整列される。次に、ブロードバンドハイドロフォンを5メガヘルツハイパスフィルタに直接接続します。40 デシベルプリアンプを介して信号を送信し、次にデータ取得カードに送信します。次に、サンプルのレーザー照明を設定します。TTLデジタル遅延パルス発生器によって機能発生器と532ナノメートルのパルスレーザーを同期させます。レーザーを使用して、光パラメトリック発振器をポンプで送り出します。ファントムの出力を2ミリメートルの繊維束と組み合わせる。タンクで、マイクロメータのステージにこのファイバーを取り付けてください。光ファイバを音響軸から 45 度の角度でファントムの前に配置します。整列するには、可視光を使用します。15ミリメートルレーザースポットの中心に位置合わせターゲットを持つビームを配置します。最後に、水槽の反対側にデジタル顕微鏡と白色光源を置きます。マイクロメートルの段階で顕微鏡を取り付ける。位置を設定して、位置を合わせの対象に合わせ、その視野にフォーカスを合わせます。正しいファントムが設置されていることを確認します。この場合、適切な組織ファントムは、アライメントファントムを置き換える。ナノ粒子の表面プラズモン共鳴にレーザー波長を調整します。制御コンピュータで、トランスデューサを10サイクルバーストを生成し、レーザーフルエンスを設定するように設定します。高強度焦点超音波バーストの焦点ピークをターゲットに焦点を当てた超音波バースト10ミリメートル深さ、5ミリメートル間隔の垂直方向に13ユニークな位置で。タンク内に組織ファントムが設置されていることを確認します。次に、ソフトウェアで、フルエンスと連続波露光パラメータを設定します。選択したピーク陰圧を有する高強度焦点超音波が1箇所に向けられているので、顕微鏡を使用して熱病変形成を記録する。これらのデータは、異なる条件下で異なるファントムのための短い、高強度の焦点を当てた超音波暴露のための検出器電圧対時間である。これらのデータセットでは、ファントムもレーザー照明にさらされた。しかし、1つのファントムはナノロッドを持っていなかったし、1つのファントムはそうした。これらのデータセットでは、両方のファントムはナノロッドを持っていたが、1つはレーザー照明にさらされ、もう1つはレーザー照明にさらされなかった。これは、ナノ粒子、超音波暴露、レーザー照明がすべて存在する場合にのみ、ブロードバンド放出が検出されることを示しています。この顕微鏡ビデオは、高強度焦点化超音波およびレーザー照明にさらされたナノロッドを有するゲルファントムにおける熱およびキャビテーション病変の形成の例を提供する。この手順を試みる間、化学物質を取り扱うときに適切な個人用保護具を着用し、レーザーを使用する際に正しい目の保護が使用されていることを確認することが重要です。その開発後、この技術は、高強度に焦点を当てた超音波療法の分野の研究者が、標的化された急速な熱アブレーションを通じて癌治療を強化するために分子標的ナノ粒子を使用して探求する道を開く可能性がある。

Research

JoVE Journal

Engineering

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コルク栓のように金ナノ粒子と窒素ドープカーボンナノチューブカップの合成と機能化

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

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

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Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

Analyzing the Movement of the Nauplius 'Artemia salina' by Optical Tracking of Plasmonic Nanoparticles

「ノープリウスの動きを分析する<em&gt;アルテミア·サリナ</em&gt; &#39;プラズモニックナノ粒子の光学追跡することによって、

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検出とパラジウムの回収は、都市鉱山からの金やコバルト金属は、ナノスケールワゴンホイール形の細孔を有する指定小説センサ/吸着剤を使用しました

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Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

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多機能ハイブリッドのFe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Auナノ粒子の効率的なプラズモニック暖房

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

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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

層状チタン酸透明フィルムの層間空間で凝集することなく金ナノ粒子のその場合成で

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

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

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