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

Este trabalho foi financiado pelo EPSRC conceder EP/J021156/1. O autor gostaria de reconhecer o apoio de uma comunhão de Leverhulme carreira precoce (ECF-2013-247).

1. tecido imitando fabrico fantasma
Nota: Uma análise aprofundada das propriedades acústicas do fantasma tecido-imitando opticamente transparente usado para todas as exposições neste estudo pode ser encontrada em Choi, et al 24
Nota: Cada molde fantasma contém cerca de 50 mL de solução, e para cada lote de um total de cinco moldes são preenchidos. Assim, um total de 250 mL de solução de fantasma é preparado.
<ol><li>Adicione 148,2 mL (60% v/v) de água deionizada, filtrada e desgaseificada para um copo de vidro de 500 mL e ir para equilibrar a temperatura ambiente. Adicione 75 mL de 40% (peso/volume) solução de acrilamida/Bis-acrilamida (30% v/v) para o copo de vidro, seguido de 25 mL de tampão TRIS de 1 M, pH 8 (10% v/v) e 2,15 mL de persulfato de amónio de 10% (APS; 0.86% v/v).</li>
	<li>Colocar o copo de vidro dentro de uma câmara de vácuo que situa-se num prato de agitador magnético e coloque um bar agitação magnética longa politetrafluoroetileno (PTFE) de 40 mm dentro do copo. Com uma média de velocidade de agitação (ou seja, garantir a boa mistura sem formação de vórtice na água), adicionar lentamente 22,5 g (9% w/v) de albumina de soro bovino (BSA) em pó.</li>
	<li>Uma vez que todos os BSA foi adicionado à solução, feche a câmara de vácuo e ligue a bomba de vácuo. Manter um vácuo de 80 mBar/H e continuar mexendo para uma mais 60 min, depois que liberação do vácuo. Neste ponto a solução deve ser clara, com uma ligeira coloração amarela.</li>
	<li>A metodologia acima é o mesmo para fantasmas feitas com e sem nanopartículas. Se as nanopartículas são necessárias, adicionar 10 µ l (concentração de 1 x 108 np/mL) de nanorods que têm uma ressonância de plasmon de superfície (SPR) em 850 nm e um diâmetro de 40 nm.</li>
	<li>Finalmente, adicione 125 µ l de tempted (TEMED) para catalisar a polimerização do fantasma. Esperar uma mais 5 min para permitir a mistura, em seguida, despeje a solução fantasma 5 moldes individuais e esperar 20 min para definir. Uma vez definido, removê-los de titulares e armazenar em um recipiente hermético até o uso. Use os phantoms no prazo de 24 h de fabrico.</li>
</ol>2. calibração de transdutores HIFU campo livre pressão acústica
Nota: Esta seção do protocolo não é necessária antes de todas as experiências de maciços/imagens. É um procedimento de calibração a ser executada em intervalos regulares para garantir a saída acústica do sistema está correto.
<ol><li>Encha um tanque de água de acrílico (280 x 141 x 132 mm) com 4,5 L de água deionizada e desgaseificada. Monte o transdutor HIFU em um post de posição fixa das extremidades do tanque, virada para dentro. Paralela a esta, monte uma calibrada (interpretada por laboratórios nacionais física) hidrofone de membrana para um palco de três eixos micrômetro manual no ponto focal aproximado do transdutor HIFU (63 mm).</li>
	<li>Conectar o transdutor HIFU (geométricas foco 63 mm) para o circuito de impedâncias, então amplificador de potência (como mostrado na Figura 1). Em seguida, conecte o hidrofone de membrana diretamente ao sistema de aquisição de dados, garantindo que um sinal de gatilho é fornecido a partir do gerador de função ligado ao amplificador de potência (Figura 1).</li>
	<li>Definir a tensão de saída do gerador de função para 30 mV, com uma onda de seno de 3,3 MHz 10 ciclo em uma frequência de repetição do pulso de 100 Hz.</li>
	<li>Usando o software de medição (consulte a Tabela de materiais) para visualizar o sinal acústico detectado e o estágio de micrômetro, posicione o pulso acústico detectado no momento correto de voo (42,5 µm). Usando apenas uma única direção radial em um momento no palco micrômetro, maximize o sinal acústico detectado. Confiante, que isto foi conseguido, uma vez que fechar o software e deixar o hidrofone de membrana em sua posição atual.</li>
	<li>Varia a tensão de saída do gerador de função, de 20-400 mV em incrementos de 20 mV. A tensão de cada nível e usando o software de aquisição de MatLab, registro o hidrofone sinaliza. Adquirir 100 pulsos em cada nível e converter dados de tensão de pressão usando os dados de calibração fornecido. Média dos dados e medir tanto os pico valores positivos e negativos para todos os níveis de tensão de saída. Isto dá os dados de calibração para a pressão negativa de pico de campo livre ser usado para ambos o pulso e continua onda de estudos.</li>
</ol>3. Configurando o aparato Experimental para ambos os estudos de onda pulsada e contínua
<ol><li>Encha um tanque de água de acrílico (280 x 141 x 132 mm) com 4,5 L de água deionizada e desgaseificada. Monte o transdutor HIFU e o hidrofone banda larga co alinhado para um palco de micrômetro manual de três eixos. Em seguida, totalmente mergulhe o transdutor e o hidrofone na caixa d'água. Um esquema disto é mostrado na Figura 1.</li>
	<li>Conecte o transdutor HIFU para um circuito de impedâncias, para habilitá-lo para ser conduzido em sua terceira harmônica (3,3 MHz). Este circuito é conectado diretamente à saída de um amplificador de potência de RF. Um gerador de funções digital é conectado à entrada do amplificador de potência e programado remotamente.</li>
	<li>Antes de exposições em material fantasma, use um hidrofone calibrado membrana diferencial para medir a pressão de pico negativo gerada a partir deste sistema para uma determinada tensão de entrada do gerador de função, conforme descrito em 2. Use estes valores de tensão de referência para definir o nível de pressão necessária sobre o gerador de função digital.</li>
	<li>Conectar o hidrofone de banda larga (geométricas foco 63 mm) que ocupa a abertura central do transdutor HIFU diretamente para um filtro de alta frequência de 5 MHz. Em seguida, conectá-lo a uma placa de aquisição de 14 bits de dados (DAQ) através de um pré-amplificador de 40 dB. Certifique-se de que o filtro passa-alto é ligado com a polarização correta. Nota: Este cartão foi instalado em um PC desktop e é usado para controlar todo o hardware (exemplos este software pode ser encontrado como arquivos suplementares) e salvar os dados para processamento off-line durante este estudo.</li>
	<li>Conecte um gerador de pulso do transistor-transistor logic (TTL) delay digital com cabos de baioneta Neill-Concelman (BNC), ambos no pulso de laser sistema e função gerador para garantir a sincronização entre estes sistemas, que irá garantir que o 7 ns laser pulso é coincidente na região alvo durante o pico de rarefação quarto desde o transdutor HIFU.</li>
	<li>Usando o método descrito em 1, omita o BSA e nanopartículas para fazer um alinhamento fantasma, que é o material padrão fantasma que contém um destino esférica metálica 1 mm (um rolamento de esferas). Para esse efeito, despeje 25 mL de material fantasma em um molde e adicionar o catalisador TEMED 62,5 µ l e esperar cerca de 20 min para definir. Em seguida coloque o alvo metálico centralmente no fantasma e adicionar 25 mL de solução fantasma seguida o catalisador TEMED 62,5 µ l e um 20 min mais esperar.</li>
	<li>Coloque o alinhamento fantasma no titular impressos em 3D6, montar em um cenário 3D automatizado e aproximadamente a posição para que o alvo metálico está no auge do transdutor HIFU focal.</li>
	<li>Usando o transdutor HIFU para enviar uma curta duração ciclo 10 estourar (3 µs) e o hidrofone para receber (conectados diretamente à placa de DAQ), a posição em relação à meta alinhamento é otimizada através da localização do pulso-eco. O tempo real detectado sinal será exibido no computador. Ajuste o tempo de voo e sinal de amplitude usando o palco do micrômetro manual o transdutor HIFU e hidrofone montado sobre. Uma vez que o tempo de voo é definido como 85 µs (uma única ida e volta) e a amplitude do sinal tem sido maximizada em ambas as direções radiais, este sistema será alinhado.</li>
	<li>Casal da energia ótica do oscilador óptico paramétrico (OPO) bombeado pelo laser pulsado nanossegundos de 532 nm para o fantasma usando um feixe de fibras de 2 mm. Monte esta fibra em uma segunda fase de micrômetro e posição em um ângulo de 45º a partir do eixo acústico na frente o fantasma (Figura 1). O comprimento de onda da luz do laser é definido a 680 nm para ser visível para o alinhamento. Visível, uma vez que colocar a iluminação do laser com o estágio de micrômetro forma o destino de alinhamento é central em um ponto de laser de diâmetro de 15 mm.</li>
	<li>Posicione o microscópio digital de x 20-90 (trabalhando 90 milímetros de distância) e uma fonte de luz branca em lados opostos da caixa d'água perpendicular ao plano de propagação do transdutor HIFU. O microscópio é montado em um palco pequeno micrômetro. Posição tal que o alinhamento metálico alvejado é central e em foco no seu campo de visão (5 x 6 mm). Nota: Após a conclusão do procedimento acima, todos os elementos deste sistema (HIFU transdutor, hidrofone, iluminação laser e microscópio) são agora co alinhados para um local específico. O fantasma de alinhamento agora pode ser substituído com os phantoms imitando tecido usados para o estudo. Como o fantasma está montado em um suporte ligado a um sistema de posicionamento 3D, diferentes regiões podem ser direcionadas, mantendo o alinhamento.</li>
</ol>4. cavitação limite de deteção de HIFU pulsada exposições
Nota: O procedimento a seguir é o mesmo para os phantoms com ou sem nanopartículas e deve ser repetido três vezes.
<ol><li>Certifique-se de que o sistema PCD é conectado após ser desconectado durante o procedimento de alinhamento descrito em 3,8 e ajustar o comprimento de onda do laser para o SPR das nanopartículas. Usando um programa de controle personalizado, defina o gerador de função para produzir uma explosão HIFU 10 ciclo (3 µs), que é sincronizada com o sistema de laser. Também use este programa para definir uma fluência do laser de 0.4, 1.1, 2.1 ou 3,4 mJ/cm2 , embora mudando o sincronismo entre o acionamento do alarme o acendimento da lâmpada de flash e Q-switch abertura no sistema do laser.</li>
	<li>Alvo do pico focal do sistema de HIFU 10mm profundamente o fantasma e em 13 locais exclusivos, espaçadas por 5mm, na direção vertical. Em cada um desses locais realizar uma exposição em uma pressão negativa de HIFU pico único, com as fluências de quatro laser indicadas no ponto 4.2.</li>
	<li>Uso a gama de pico negativo pressões de 0, 0.91, 1.19, 1,43, 1,69, 1,92, 2.13, 2.34, 2,53, 2.71, 2.83, 3,00 e 3,19 MPa para as seguintes condições de exposição: a laser em um fantasma livre de nanopartículas, laser em um fantasma de nanopartículas e do laser em uma nanopartícula fantasma. Para simular um laser 'farsa' exposição, executar o sistema como descrito, mas fecha o obturador manual na saída da OPO. Esta abordagem garantirá que qualquer ruído de RF gerado ainda estará presente no sistema de PCD.</li>
	<li>Todas as configurações e posições de exposição ao programa de controle do programa e, em seguida, execute para executar estas medições. Dados PCD são digitalizados e armazenado diretamente usando o cartão de aquisição de dados para pós-processamento. Para cada parâmetro de exposição, 500 repetir as exposições são adquiridos6.</li>
	<li>Processar as emissões em banda larga, detectadas pelo sistema PCD através de exposições HIFU de curta duração para os fantasmas utilizando a técnica detalhada por McLaughlan et al (2017) 6.</li>
</ol>5. térmica desnaturação de onda contínua HIFU exposições
Nota: O procedimento a seguir é o mesmo para os phantoms com ou sem nanopartículas e foram repetidas três vezes.
<ol><li>Defina o sistema de laser para dar uma fluência de 3,4 mJ/cm2 e o gerador de função para dar uma exposição CW (cada explosão de 330.000-ciclo é sincronizado a um pulso de laser). Em 11 locais exclusivos no fantasma, selecione uma pressão negativa de pico 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>Use um tempo de exposição total de 17 s a fim de adquirir 1s da linha de base antes e depois de uma exposição HIFU 15 s CW no fantasma. Durante este tempo de exposição total, o sistema de aquisição de dados é gravar os dados PCD. O microscópio está conectado para o controle do PC e os quadros de imagem são registados durante este tempo para fornecer uma visualização directa da formação de lesão térmica.</li>
	<li>Repita o processo no ponto 4.3 para todas as condições de exposição diferentes descritas em 4.4.</li>
	<li>Processe todos os dados PCD off-line para calcular a dose de cavitação inertial25 para cada exposição.</li>
</ol>

<ol>
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O autor não tem nada para divulgar.

Este protocolo é dividido em quatro seções separadas, descrevendo a fabricação do tecido-imitando fantasma através para as exposições CW neles para produzir desnaturação termicamente gerada. Esta desnaturação dos phantoms simula necrose de coagulação termicamente gerado vivida pelos tecidos moles, exposto a HIFU1. Em sua fabricação, é importante assegurar que o rácio de APS e TEMED é tal que o processo não catalisar muito rapidamente. Como esse processo é exotérmico, o mais rápido esta taxa, maior a temperatura chegou a25 e, portanto, poderia desnaturar as proteínas BSA antes da exposição. O rácio de APS para TEMED neste protocolo foi definido tal que isso não deve ocorrer, no entanto os moldes poderiam ser colocados em água gelada durante a polimerização do gel para minimizar ainda mais essa possibilidade.
Como este protocolo centra-se sobre a nucleação de cavitação através da combinação de nanopartículas, Iluminações do laser e exposição HIFU, um passo crítico no fabrico dos phantoms gel é para desgaseificá-los sob vácuo por um período mínimo de 30 min. Uma vez exposto a HIFU (particularmente exposições CW), mesmo se uma lesão térmica não estava presente, é importante para um local fresco nos fantasmas de gel para evitar núcleos preexistentes de destino. Quando mover o fantasma usando o computador controlado sistema de tradução é importante garantir que a profundidade do HIFU foco (e, portanto, região alinhado) é mantida consistente. Isso garante que os níveis de fluência HIFU pressão e laser são uniformes para cada parâmetro de exposição específicas. Para este protocolo e após a colocação inicial do titular do fantasma, só serão traduzidos no eixo vertical.
Os géis de tecido-imitando sensíveis à temperatura são amplamente utilizados por HIFU pesquisa Comunidade25, como eles fornecem um mecanismo visual para monitorar a formação de uma lesão térmica. Este estudo foi o primeiro exemplo de combiná-los com nanopartículas e demonstrando a melhoria desde a formação da lesão através da atividade de cavitação controlada. No entanto, embora são classificadas como tecido imitando para sua resposta à temperatura, tanto sua atenuação óptica e acústica não é. Devido à necessidade de visualizar a formação de lesão nos gels, os espectros são perto de transparente, com um ligeiro Tom de amarelo. Como a fluência do laser é ajustada para conta para isto, significa que a luz do laser, iluminando a região de destino é colimado, ao invés de difusiva, como seria para o tecido normal. Assim, para permitir a tradução clínica iluminação múltiplas fontes seriam necessários para garantir suficiente fluência na superfície. Atualmente este trabalho adere às22 diretrizes para o uso seguro de lasers quando expostos a pele. Isso limitaria a fluência do laser máxima atingível em profundidade; assim, esta técnica inicialmente iria ser adequada para tratar cancros superficiais tais como o peito, ou cabeça e pescoço. Além disso, nanopartículas plasmônico direcionadas aos receptores de superfície para esses tipos de cânceres poderiam fornecer maior seletividade em tratamentos. No entanto, mesmo que esta é uma área altamente ativa de pesquisa, sem tais partículas são atualmente aprovadas para uso clínico.
A atenuação acústica dos phantoms com nanopartículas foi medida para ser 0.7±0.2 dB/cm6e, em comparação com o valor para tecidos moles, de 3-4 dB/cm, é significativamente menor. Assim, o aquecimento através de exposições HIFU nesses géis seria inferior seriam observadas no tecido macio. Foi demonstrado que a adição de contas de vidro para o gel aumenta os níveis de atenuação semelhantes ao tecido mole25. No entanto, nesta aplicação, esta abordagem não é possível como estes grânulos agem por fontes de nucleação para atividade de cavitação, mesmo na ausência de nanopartículas e assim deturpar o limiar de cavitação. Ao comparar a eficiência de aquecimento para com os resultados do estudo por Choi et al . (2013) 25, lesões térmicas foram geradas em intervalos de pressão de pico de 14 a 23 MPa (afirma-se não se tratava de pressão de pico positivo ou negativo). Como este foi realizado em 1,1 MHz, a atenuação nos phantoms foi menor do que o utilizado neste estudo. No entanto, a abordagem de nanopartículas-nucleated neste estudo foi capaz de gerar lesões térmicas nestes fantasmas em pressões que variam de 1,19 a 3,19 MPa, demonstrando, assim, uma maior eficiência sobre metodologias atuais.
Futuras análises para esta metodologia deve ser realizada em um modelo na vivo para incorporar a redução do tumor, perfusão do tecido, molecular de direcionamento de nanopartículas e parâmetros relevantes de atenuação acústica.

Alta intensidade focada ultra-som (HIFU), ou focado cirurgia ultra-som (FUS), é uma técnica não-invasiva e não-ionizante que é usada para a ablação térmica do tecido subcutâneo1. O principal uso do HIFU é no tratamento de tumores de tecidos moles2, mas está começando a ser usado para outras aplicações, como tratamento de tumores de osso3 ou condições neurológicas4. Há dois principais fatores que limitam o uso generalizado de HIFU na clínica: em primeiro lugar, as dificuldades na orientação do tratamento e em segundo lugar, o longo tratamento vezes5. A combinação de HIFU, iluminação laser pulsado e plasmônico nanorods ouro descrito por esse método pode fornecer uma maneira de superar as limitações atuais de HIFU6.
Durante as exposições HIFU, o mecanismo dominante da ablação de tecido é dano térmico. No entanto, a atividade de cavitação também pode jogar um papel8. Atividade de cavitação que ocorre durante as exposições HIFU pode consistir em ambos mecanicamente e/ou termicamente mediada por cavitação. Mecanicamente, mediada por cavitação é geralmente referida como cavitação acústica7, que é ainda mais subcategorized como bolhas passando por qualquer comportamento não inercial ou inercial9 . Termicamente mediada por cavitação é a formação de bolsões de gás, através do ex-solução ou vaporização e é comumente referida como 'ebulição'10. Atividade de cavitação, a maioria comumente cavitação inertial, tem demonstrado aumentar as térmicas realizáveis através de de exposições HIFU11 taxas de aquecimento e, assim, ajudar a resolver uma das suas principais limitações. No entanto, a formação e a atividade de cavitação durante exposições HIFU podem ser imprevisíveis e levar a efeitos negativos, tais como excesso tratados regiões ou assimétrico ablação térmica12. A fim de controlar a atividade de cavitação durante exposições HIFU, foi investigada a introdução dos núcleos externos. Estes podem tomar a forma de microbolhas13, mudança de fase Nanoemulsões14 ou nanopartículas plasmônico15. Tanto microbolhas e Nanoemulsões foram mostrados para melhorar o sinal-ruído para ablações térmicas da imagem latente e aprimoradas. No entanto, sua natureza transitória significa que eles têm limitada funcionalidade ao longo de repetidas exposições HIFU. Monitorização da actividade de cavitação durante exposições HIFU é feito qualquer detecção de cavitação ativa ou passiva (ACD ou CPD, respectivamente). PCD é uma técnica favorecida para a deteção de cavitação, que pode ser executada simultaneamente com as exposições HIFU e fornece informações de conteúdo espectrais. Este conteúdo espectral pode ser analisado ainda mais para ajudar a identificar o tipo de atividade de cavitação ocorre16. Banda larga emissões acústicas são utilizadas, desde que estas emissões são exclusivas para a presença de cavitação inertial10 e estão ligadas ao reforço HIFU aquecimento11.
Fotoacústico da imagem latente (PAI) é uma clínica de imagem técnica17, que combina a seletividade espectral de excitação do laser pulsado com a alta resolução do ultra-som de imagem18emergentes. Anteriormente, ela tem sido usada para guiar HIFU exposições19, mas esta técnica de imagem é limitada pela profundidade da penetração do laser. Nanopartículas de ouro plasmônico podem ser usadas para atuar como "agentes de contraste", aumentando a absorção local de luz laser e, posteriormente, a amplitude da fotoacústico emissões20. Para fluências suficientemente elevado do laser, é possível causar a geração de bolhas de vapor microscópico que pode ser usado para imagens altamente localizadas21. No entanto, esses níveis de exposição normalmente excederem o limite máximo admissível de exposição para o uso de laser em seres humanos22e, portanto, tem uso limitado. O método empregado neste estudo demonstrou anteriormente que, simultaneamente, expondo as nanopartículas plasmônico para ambos laser iluminação e HIFU, a fluência do laser e pressões acústicas necessárias para nucleate estas bolhas de vapor pequeno é drasticamente reduzido, e a relação sinal-ruído para a imagem latente é aumentada23. Um método é descrito aqui para a combinação de nanopartículas plasmônico com laser e exposições HIFU para uma técnica altamente controlável para a nucleação e a actividade das bolhas de vapor.

<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

Neste estudo, nanopartículas de ouro plasmônico simultaneamente foram expostas ao laser pulsado de near-infrared luz e alta intensidade focada ultra-som (HIFU) para a nucleação controlável de cavitação em tecido-imitando gel de fantasmas. Este protocolo em vitro foi desenvolvido para demonstrar a viabilidade dessa abordagem, ambos reforço de aplicações de imagens e terapêuticas para o câncer. O mesmo aparelho pode ser usado para aplicações de imagens e terapêuticas variando a duração da exposição do sistema de HIFU. Para exposições de curta duração (10 µs), banda larga emissões acústicas foram geradas através da nucleação controlada de cavitação inertial ao redor as nanopartículas de ouro. Estas emissões fornecem localização direta de nanopartículas. Para futuras aplicações, essas partículas podem ser acrescidas com alvos moleculares-anticorpos (por exemplo, anti-HER2 para câncer de mama) e podem fornecer a localização exacta das regiões cancerosas, complementando a ultra-sonografia de diagnóstico rotineiro. Para exposição de onda contínua (CW), a atividade de cavitação foi usada para aumentar o aquecimento localizado das exposições HIFU, resultando em maior dano térmico nos fantasmas de gel. As emissões acústicas geradas a partir de atividade de cavitação inertial durante estas exposições CW foi monitorada usando um sistema de detecção (PCD) cavitação passiva para fornecer um feedback da atividade de cavitação. Aumento de aquecimento localizado só foi conseguido através de uma combinação única de nanopartículas, luz laser e HIFU. Validação mais desta técnica em modelos pré-clínicos de câncer é necessária.

Deteção de cavitação através de exposições HIFU pulsadas
O sistema de detecção passiva cavitação gravou os dados de tensão/tempo para os laser e a gama de HIFU exposições em ambos os espectros com e sem nanopartículas. A Figura 2 mostra os resultados representativos para uma variedade de exposições. As escalas de tempo sobre esses lotes são truncadas para destacar as regiões onde as emissões acústicas banda larga seria de esperar, devido ao tempo de voo dessas emissões. A Figura 2 demonstra que é somente quando há uma combinação de nanopartículas, iluminação de laser e exposição HIFU que emissões de banda larga são detectadas. No entanto, este ainda é um fenômeno de limiar, como na baixa pressão acústica para Figura 2 h emissões de banda larga não foram detectadas. A duração destas emissões normalmente correspondem ao comprimento da exposição HIFU, que foi em torno de 10 µs neste estudo.
Desnaturação térmica de uma exposição de CW HIFU
A Figura 3 mostra que uma série de quadros adquiridos do barramento serial universal (USB) da câmera durante uma única exposição HIFU com iluminação a laser, para os tipos de três exposições diferentes (com ou sem iluminação do laser e/ou nanopartículas). Esta figura mostra um exemplo da formação de lesões térmicas nos fantasmas de gel para cada uma dessas condições. Nesta vista o HIFU exposição ocorre da esquerda para a direita. Para o exemplo mostrado na Figura 3 o pico pressão negativa foi 2,53 MPa, a borda superior da que foi usado neste estudo.
Dose de cavitação inertial de gravação (ICD) através de exposições em CW HIFU
A Figura 4 mostra os resultados representativos do cálculo do ICD gravado durante exposições CW HIFU. Esses dados foram post processado de emissões gravadas pelo sistema de PCD durante a exposição. Figuras 4a, 4C e 4e mostram que em uma pressão negativa de pico mais baixa, sem emissões de banda larga foram detectadas, onde Figuras 4b, d e f mostram que CID foi gravado durante a exposição. Os sinais ICD maiores foram observados durante a exposição em um gel que contém nanopartículas com exposições HIFU e o laser (Figura 4f).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg"> Figura 1. Uma representação esquemática do aparato experimental utilizado neste estudo. Para maior clareza, o microscópio USB e fonte de luz são omitidos, mas a região de exibição é ilustrada por uma caixa tracejada azul. CNC - controle numérico de computador, AuNR - nanorods do ouro. Figura adaptada de McLaughlan et al (2017) 6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg"> Figura 2. Um exemplo dos vestígios de tensão gravado com o sistema de detecção de cavitação passiva durante exposições HIFU curtas, com/sem iluminação laser simultâneos. Quando usado, a fluência do laser foi 2,1 mJ/cm2 , com uma pressão negativa de pico de 3.0 (a-c), 2.13 (d-f) e (g-i) 1,43 MPa. LS - laser, NR - nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg"> Figura 3. Indivíduo quadros às vezes 0, 5, 10 e 15 s durante uma exposição HIFU gravada por microscópio USB. A fluência do laser foi 3,4 mJ/cm2 e pico de pressão negativa de 2,53 MPa. Sequência (a) foi com a exposição do laser e em um fantasma sem nanopartículas, (b) é um fantasma que contêm nanopartículas e sem exposição laser e (c) tem iluminação de laser e um fantasma que contêm nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg"> Figura 4. Calculado por inércia cavitação dose (ICD), gravado durante exposições (a, b, e e f) com e (c e d) sem iluminação laser. Pressão de pico negativo foi tanto (a, c e e) 0,91 ou (b, d, & f) 2,53 MPa. O fantasma usado em (a & b) não continha qualquer nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Este protocolo demonstra a nucleação controlável de cavitação em gel de fantasmas, através da exposição simultânea a luz pulsada de laser infravermelho e ultrassom focada de alta intensidade (HIFU). A atividade de cavitação então pode ser usada para realçar o usos de imagens e/ou terapêuticos de HIFU.

Controlável nucleação de cavitação de nanopartículas de ouro plasmônico para reforçar a alta intensidade focada aplicações de ultra-som

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

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de ultrassom focado em alta intensidade, como a cavitação nucleada de ultrassom a laser ser usada para orientar, e também melhorar os tratamentos de câncer HIFU. A principal vantagem dessa técnica é que através da combinação de nanopartículas, HIFU e iluminação a laser, ela pode superar as limitações de cada uma dessas modalidades por si só. Fabricar fantasmas para demonstrar o método de nucleação.Comece com água desalionizada, desagasto, temperatura ambiente em um copo de vidro. Além disso, prepare 40% de peso por solução de acrilamida/bis-acrilamida em volume. Adicione a solução à água, seguida de um tampão, e persulfito de amônio.Coloque o béquer dentro de uma câmara de vácuo situada em uma placa de agitador magnético. Adicione uma barra de agitação magnética PTFE de 40 milímetros de comprimento ao béquer e mexa a velocidade média. Adicione lentamente pó de albumina de soro bovino.Quando terminar, feche a câmara de vácuo e inicie a bomba de vácuo. Mantenha o vácuo de destino e continue mexendo por 60 minutos. Em seguida, solte o vácuo e continue trabalhando com a solução.Adicione nanopartículas para fantasmas que as requerem. Para todos os fantasmas, adicione o catalisador. Após cinco minutos de mistura, despeje a solução em moldes individuais e espere 20 minutos.Este é um exemplo de um fantasma que é definido e removido do molde. Está pronto para usar no experimento. Uma vez que os fantasmas estejam prontos, armazene os fantasmas deformados em um recipiente hermético.Para produzir um fantasma de alinhamento, comece com a solução fantasma. Coloque o béquer e mexa em uma câmara de vácuo em um agitador magnético. Comece a mexer em velocidade média e bombeie a câmara até o vácuo alvo.Depois de recuperar a solução, despeje 25 mililitros em um molde e adicione o catalisador. Espere 20 minutos antes de colocar um alvo de metal esférico de um milímetro no centro do fantasma. Em seguida, despeje outros 25 mililitros da solução fantasma no molde.Adicione o catalisador e espere mais 20 minutos. Quando definido, o fantasma de alinhamento está pronto para uso ou armazenamento em um recipiente hermético. Prepare a configuração para o experimento.Para isso, tenha um reservatório de água acrílica com 4,5 litros de água desomugada e desafogada. Em uma extremidade do tanque, coloque um absorvedor acústico. Em seguida, volte a atenção para o transdutor de ultrassom focado em alta intensidade.Monte-o e é hidrofone de banda larga co-alinhado em um estágio de micrometro de três eixos. Submergir completamente o transdutor e o hidrofone no tanque para enfrentar o absorvente. Conecte o transdutor a um circuito de correspondência de impedância que permitirá que ele seja conduzido em seu terceiro harmônico.Este circuito está conectado diretamente à saída de um amplificador de energia RF, que tem um gerador de função digital como sua entrada. O gerador de funções é programado remotamente. Após a calibração, obtenha um fantasma de alinhamento para continuar a configurar.O fantasma deve estar em um suporte impresso em 3D e montado em um estágio 3D automatizado. Posicione o fantasma para que o alvo magnético esteja no pico focal aproximado do transdutor. Agora, conecte o hidrofone diretamente ao cartão de aquisição de dados.Use o transdutor e o hidrofone para pulsar ecolocate o alvo de alinhamento. Envie um microssegundo, uma rajada de 10 ciclos e visualize o sinal detectado em tempo real no computador. Ajuste o estágio do micrômetro do transdutor para alterar a hora do voo e a amplitude do sinal.O sistema é alinhado uma vez que o tempo de voo é de 85 microsegundos e a amplitude do sinal é maximizada. Em seguida, conecte o hidrofone de banda larga diretamente a um filtro de cinco mega-hertz high-pass. Envie o sinal através de um pré-amplificador de 40 decibéis e, em seguida, para um cartão de aquisição de dados.Agora, configure a iluminação a laser para a amostra. Sincronize um laser de pulso de 532 nanômetros com o gerador de função por um gerador de pulso de atraso digital TTL. Use o laser para bombear um oscilador paramétrico óptico.Acople sua saída no fantasma com um feixe de fibra de dois milímetros. No tanque, monte esta fibra em um estágio de micrômetro. Posicione a fibra na frente do fantasma em um ângulo de 45 graus a partir do eixo acústico.Para alinhamento, use luz visível. Posicione o feixe para ter o alvo de alinhamento no centro de um ponto laser de 15 milímetros. Finalmente, posicione um microscópio digital e uma fonte de luz branca em lados opostos do reservatório de água.Monte o microscópio em um estágio de micrômetro. Posicione-o para ter o alvo de alinhamento em foco em seu campo de visão. Certifique-se de que o fantasma correto está no lugar.Neste caso, o fantasma do tecido apropriado substitui o fantasma de alinhamento. Sintonize o comprimento de onda laser na ressonância de plasmon superficial da nanopartícula. No computador de controle, defina o transdutor para produzir uma explosão de 10 ciclos, e para definir a fluência a laser.O alvo do pico focal do ultrassom focado em alta intensidade estourou 10 milímetros de profundidade e em 13 locais únicos na direção vertical espaçados por cinco milímetros. Certifique-se de que um fantasma de tecido está no lugar no tanque. Em seguida, com o software, defina os parâmetros de fluência e exposição contínua de ondas.Use o microscópio para registrar a formação de lesões térmicas, pois o ultrassom focado em alta intensidade com um pico de pressão negativa escolhido é direcionado para um local. Estes dados são tensão detectora versus tempo para exposição de ultrassom focada em curto e de alta intensidade para diferentes fantasmas em diferentes condições. Nesses conjuntos de dados, os fantasmas também foram expostos à iluminação a laser.No entanto, um fantasma não tinha nanorods e um fantasma tinha. Nesses conjuntos de dados, ambos os fantasmas tinham nanorods, mas um foi exposto à iluminação laser e o outro fantasma não. Isso demonstra que as emissões de banda larga são detectadas apenas quando nanopartículas, exposição ao ultrassom e iluminação a laser estão presentes.Este vídeo de microscópio fornece um exemplo da formação de lesões térmicas e de cavitação em um fantasma de gel com nanorods expostos a ultrassom focado em alta intensidade e iluminação laser. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de usar equipamentos de proteção individual adequados ao manusear os produtos químicos e garantir que a proteção ocular correta seja usada ao usar o laser. Após seu desenvolvimento, essa técnica poderia abrir caminho para pesquisadores do campo da ultrassonografia focada em alta intensidade explorarem o uso de nanopartículas moleculares direcionadas para melhorar os tratamentos de câncer através de ablações térmicas direcionadas e rápidas.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Síntese e funcionalização de nitrogênio dopado Copas de Nanotubos de Carbono com nanopartículas de ouro como Rolhas

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

Engenharia

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Projeto, fabricação e Experimental Caracterização de plasmônicos Emissores Terahertz 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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Analisando o movimento da Nauplius &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Rastreamento de plasmônicos Nanopartículas

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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

Híbrido multifuncional Fe<sub&gt; 2</sub&gt; ó<sub&gt; 3</sub&gt; -au Nanopartículas para Aquecimento plasmonic Eficiente

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

Dispositivo micro centrífuga baseada capilar para a Formação tamanho controlável de Monodisperse microgotas

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 Síntese de Nanopartículas de Ouro sem agregação no espaço Interlayer de Layered titanato filmes transparentes

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

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

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