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

Эта работа была поддержана EPSRC Грант EP/J021156/1. Автор хотел бы отметить поддержку от ранней карьеры Леверхульме стипендий (ЭШФ-2013-247).

<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. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+ultrasound+for+treatment+of+bone+tumours.">Focused ultrasound for treatment of bone tumours.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 260-271 (2015).</li><li>Wang, T. R., Dallapiazza, R., Elias, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurological+applications+of+transcranial+high+intensity+focused+ultrasound.">Neurological applications of transcranial high intensity focused ultrasound.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 285-291 (2015).</li><li>Ebbini, E. S., 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-guided+therapeutic+focused+ultrasound:+current+status+and+future+directions.">Ultrasound-guided therapeutic focused ultrasound: current status and future directions.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (2), 77-89 (2015).</li><li>McLaughlan, J. R., Cowell, D. M., Freear, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanoparticle+nucleated+cavitation+for+enhanced+high+intensity+focused+ultrasound+therapy.">Gold nanoparticle nucleated cavitation for enhanced high intensity focused ultrasound therapy.</a> Physics in Medicine &amp; Biology. 63 (1), 015004 (2017).</li><li>Neppiras, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+cavitation+series:+part+one:+Acoustic+cavitation:+an+introduction.">Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction.</a> Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).</li><li>Shaw, A., Martin, E., Haller, J., 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=Equipment+measurement+and+dose-a+survey+for+therapeutic+ultrasound.">Equipment measurement and dose-a survey for therapeutic ultrasound.</a> Journal of Therapeutic Ultrasound. 4 (1), 7 (2016).</li><li>Leighton, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Acoustic Bubble. , (2012).</li><li>McLaughlan, J., Rivens, I., Leighton, T., 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=A+study+of+bubble+activity+generated+in+ex+vivo+tissue+by+high+intensity+focused+ultrasound.">A study of bubble activity generated in ex vivo tissue by high intensity focused ultrasound.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (8), 1327-1344 (2010).</li><li>Holt, R. G., Roy, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+of+bubble-enhanced+heating+from+focused,+MHz-frequency+ultrasound+in+a+tissue-mimicking+material.">Measurements of bubble-enhanced heating from focused, MHz-frequency ultrasound in a tissue-mimicking material.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 27 (10), 1399-1412 (2001).</li><li>Meaney, P. M., Cahill, M. D., Haar, t. e. r., R, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+intensity+dependence+of+lesion+position+shift+during+focused+ultrasound+surgery.">The intensity dependence of lesion position shift during focused ultrasound surgery.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 26 (3), 441-450 (2000).</li><li>Blum, N. T., Yildirim, A., Chattaraj, R., Goodwin, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoparticles+formed+by+acoustic+destruction+of+microbubbles+and+their+utilization+for+imaging+and+effects+on+therapy+by+high+intensity+focused+ultrasound.">Nanoparticles formed by acoustic destruction of microbubbles and their utilization for imaging and effects on therapy by high intensity focused ultrasound.</a> Theranostics. 7 (3), 694-702 (2017).</li><li>Zhao, L. Y., Zou, J. Z., Chen, Z. G., Liu, S., Jiao, J., Wu, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+cavitation+enhances+focused+ultrasound+ablation+with+phase-shift+inorganic+perfluorohexane+nanoemulsions:+an+in+vitro+study+using+a+clinical+device.">Acoustic cavitation enhances focused ultrasound ablation with phase-shift inorganic perfluorohexane nanoemulsions: an in vitro study using a clinical device.</a> BioMed Research International. 2016, 7936902 (2016).</li><li>Devarakonda, S. B., Myers, M. R., Lanier, M., Dumoulin, C., Banerjee, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+gold+nanoparticle-mediated-enhanced+hyperthermia+using+mr-guided+high-intensity+focused+ultrasound+ablation+procedure.">Assessment of gold nanoparticle-mediated-enhanced hyperthermia using mr-guided high-intensity focused ultrasound ablation procedure.</a> Nano Letters. 17 (4), 2532-2538 (2017).</li><li>Coussios, C., Farny, C. H., Ter Haar, G., Roy, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+acoustic+cavitation+in+the+delivery+and+monitoring+of+cancer+treatment+by+high-intensity+focused+ultrasound+(HIFU).">Role of acoustic cavitation in the delivery and monitoring of cancer treatment by high-intensity focused ultrasound (HIFU).</a> International Journal of Hyperthermia. 23 (2), 105-120 (2007).</li><li>McNally, L. R., Mezera, M., Morgan, D. E., Frederick, P. J., Yang, E. S., Eltoum, I. E., Grizzle, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+emerging+clinical+applications+of+multispectral+optoacoustic+tomography+(MSOT)+in+oncology.">Current and emerging clinical applications of multispectral optoacoustic tomography (MSOT) in oncology.</a> Clinical Cancer Research. 22 (14), 3432-3439 (2016).</li><li>Wang, L. V., Hu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+tomography:+in+vivo+imaging+from+organelles+to+organs.">Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs.</a> Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).</li><li>Cui, H., Yang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+imaging+and+treatment+of+solid+tumor+using+integrated+photoacoustic+imaging+and+high+intensity+focused+ultrasound+system.">In vivo imaging and treatment of solid tumor using integrated photoacoustic imaging and high intensity focused ultrasound system.</a> Medical Physics. 37 (9), 4777-4781 (2010).</li><li>Li, W., Chen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanoparticles+for+photoacoustic+imaging.">Gold nanoparticles for photoacoustic imaging.</a> Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).</li><li>Lukianova-Hleb, E. Y., Kim, Y. S., Belatsarkouski, I., Gillenwater, A. M., O'Neill, B. E., Lapotko, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intraoperative+diagnostics+and+elimination+of+residual+microtumours+with+plasmonic+nanobubbles.">Intraoperative diagnostics and elimination of residual microtumours with plasmonic nanobubbles.</a> Nature Nanotechnology. 11 (6), 525-532 (2016).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ANSI.+Z136.+1.">ANSI. Z136. 1.</a> American national standard for the safe use of lasers. , (2007).</li><li>McLaughlan, J. R., Roy, R. A., Ju, H., Murray, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+enhancement+of+photoacoustic+emissions+by+nanoparticle-targeted+cavitation.">Ultrasonic enhancement of photoacoustic emissions by nanoparticle-targeted cavitation.</a> Optics Letters. 35 (13), 2127-2129 (2010).</li><li>Choi, M. J., Guntur, S. R., Lee, K. I., Paeng, D. G., Coleman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+tissue+mimicking+polyacrylamide+hydrogel+phantom+for+visualizing+thermal+lesions+generated+by+high+intensity+focused+ultrasound.">A tissue mimicking polyacrylamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions generated by high intensity focused ultrasound.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 39 (3), 439-448 (2013).</li><li>Chen, W. S., Brayman, A. A., Matula, T. J., Crum, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inertial+cavitation+dose+and+hemolysis+produced+in+vitro+with+or+without+Optison.">Inertial cavitation dose and hemolysis produced in vitro with or without Optison.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (5), 725-737 (2003).</li></ol>

Автор не имеет ничего, чтобы раскрыть.

Этот протокол делится на четыре отдельных раздела, описанием изготовления ткани подражая Фантом через для CW воздействия в их производить термически сгенерированный денатурации. Этот денатурации фантомов имитирует термически сгенерированный коагуляционного некроза, испытываемых мягких тканей, подвергается HIFU1. В их производстве важно обеспечить что соотношение APS и TEMED такова, что этот процесс не катализировать слишком быстро. Поскольку этот процесс является экзотермической, тем быстрее эта ставка, тем выше температура достигла25 и таким образом может Денатурировать белки BSA до воздействия. Отношение APS TEMED в этом протоколе была установлена таким образом, что это не должно происходить, однако формы могут быть помещены в ледяной воде во время полимеризации геля для дальнейшей минимизации этой возможности.
Как этот протокол посвящен нуклеации кавитации путем объединения наночастиц, лазерная истолкования и воздействия HIFU, важнейшим шагом в производстве фантомы гель является Дега их под вакуумом для минимум 30 мин. После того, как подвергаются HIFU (особенно CW облучения), даже если теплового поражения не присутствовал, важно целевой свежие расположение в гель фантомы избежать существовавшие ранее ядер. При перемещении phantom с помощью компьютера контролируемых системой перевода важно обеспечить что глубина HIFU фокус (и таким образом соответствие региона) хранится последовательно. Это гарантирует, что уровни давления и лазерной Флюенс HIFU являются едиными для каждого конкретного воздействия параметра. Для этого протокола и после первоначального размещения Фантом держателя затем только преобразуется в вертикальной оси.
Чувствительных к температуре тканей подражая гели широко используются HIFU исследований сообщества25, как они обеспечивают визуальный механизм для мониторинга формирования теплового поражения. Это исследование было первым примером объединения их с наночастицами и демонстрируют повышение для формирования поражения через активность контролируемых кавитации. Однако хотя они классифицируются как имитация ткани за их отклик на температуре, как их затухания оптического и акустического не являются. Из-за необходимости визуализировать поражения формирования в гели фантомов вблизи прозрачным, с небольшой желтый оттенок. Как лазерный Флюенс корректируется на счет для этого, это означает, что лазерный свет, освещающей целевой регион коллимированных вместо диффузно, как бы для нормальной ткани. Таким образом чтобы для клинических перевод нескольких освещение источников необходимо будет обеспечить достаточно Флюенс на поверхности. В настоящее время эта работа придерживается руководящих принципов22 для безопасного использования лазеров при контакте с кожей. Это будет ограничивать лазерная Максимальный флюенс достижимые на глубине; Таким образом эта техника будет первоначально подходит для лечения поверхностного рака груди, или головы и шеи. Кроме того плазмонных наночастиц, предназначенных для поверхности рецепторы для этих видов рака может обеспечить повышение избирательности в лечении. Однако несмотря на то, что это весьма активной областью исследований, нет таких частиц в настоящее время утверждены для клинического использования.
Акустических затухания фантомов с наночастицами измеряется 0.7±0.2 dB/см6и, по сравнению с значением для мягких тканей 3-4 дБ/см, это значительно ниже. Таким образом Отопление от HIFU облучение в эти гели будет меньше, чем будет наблюдаться в мягких тканей. Было продемонстрировано, что добавлением стекляруса гель увеличивает уровень затухания, похож на мягких тканей25. Однако в этом приложении, этот подход не возможно как эти шарики будут действовать нуклеации источники для кавитации деятельности даже в отсутствие наночастиц и таким образом искажать порога кавитации. При сравнении эффективности нагрева для с результатами исследования, Чой и др. (2013) 25, теплового повреждения были получены в пик давления диапазонах 14-23 МПа (не утверждается, если это был пик положительного или отрицательного давления). Поскольку это была исполнена на 1.1 МГц, затухания в фантомов был ниже, чем используемые в данном исследовании. Тем не менее тому наночастиц подход в этом исследовании был в состоянии генерировать теплового поражения в эти фантомы при давлениях от 1,19 до 3,19 МПа, продемонстрировав тем самым повышению эффективности над текущей методологии.
Будущих испытаний для этой методологии должна осуществляться в vivo модели включать сокращение опухоли, перфузии тканей, молекулярной ориентации наночастиц и соответствующих затухание акустических параметров.

Высокая интенсивность сосредоточены УЗИ (HIFU), или сосредоточены ультразвуковой хирургии (FUS), неионизирующего и неинвазивный метод, который используется для тепловой абляции подкожной клетчатки1. HIFU в основном используется в лечении опухолей мягких тканей2, но он начинает использоваться для других приложений, таких как лечение опухоли кости3 или4неврологические заболевания. Существует два основных фактора, которые ограничивают широкое использование HIFU в клинике: во-первых, трудности в лечении руководство и во-вторых, длительного лечения раз5. Сочетание HIFU, импульсной лазерной подсветки и плазмонных Золотой наностержни, описанной этим методом может предоставить способ для преодоления текущих ограничений для HIFU6.
Во время облучения HIFU доминирующей механизм абляции ткани является термического повреждения. Однако активность кавитации может также играть роль8. Активность кавитации, что происходит во время воздействия HIFU может состоять из обоих механически или термически опосредованной кавитации. Механически опосредованной кавитации обычно именуется как акустическая кавитация7, который далее законсервированные как пузырьки проходят либо не Инерциальная или инерционные9 поведение. Термически опосредованной кавитации от формирования газ карманы, через экс решение или испарения и обычно именуется как «кипящий»10. Активность кавитации, наиболее часто инерционного кавитации, было показано повышение теплового нагрева достижимых через HIFU воздействия11 и таким образом помочь решить одну из ее ключевых ограничений. Однако формирования и деятельности кавитация во время HIFU воздействия может быть непредсказуемым и привести к негативные последствия, такие как чрезмерно лечить регионов или асимметричные тепловой абляции12. Для того чтобы контролировать активность кавитации во время воздействия HIFU, исследовано введение внешнего ядра. Они могут принимать форму микропузырьков13, фазовая nanoemulsions14 или15плазмонных наночастиц. Микропузырьков и nanoemulsions было показано, улучшить сигнал шум для изображений и улучшенные тепловые ампутации. Однако их временный характер означает, что они имеют ограниченную функциональность за неоднократные HIFU воздействия. Мониторинг активности кавитации во время воздействия HIFU производится с использованием либо обнаружения активного или пассивного кавитации (ACD или PCD, соответственно). PCD — это благоприятствования метод кавитации обнаружения, как она может быть выполнена одновременно с HIFU воздействия и обеспечивает спектральной информации контента. Это спектральное содержание могут быть далее проанализированы чтобы помочь определить тип активности кавитации происходит16. Широкополосные акустические эмиссии используются, так как эти выбросы являются уникальными для присутствия инерционного кавитации10 и связаны с расширенной HIFU, Отопление11.
Фотоакустическая изображений (PAI) является новых клинических изображений техника17, который сочетает в себе Спектральная избирательность импульсного лазерного возбуждения с высоким разрешением ультразвуковой визуализации18. Он ранее был использован для руководства HIFU воздействия19, но эта Тепловизионная техника ограничивается глубиной проникновения лазерного света. Плазмонных наночастиц золота может использоваться для действовать как «контраст» увеличение местных поглощения лазерного света и впоследствии амплитуда Фотоакустическая выбросов20. Для достаточно высокой лазерной доз можно привести поколения микроскопических пара пузырьки, которые могут быть использованы для высоко локализованных изображений21. Однако эти уровни воздействия обычно превышает предел максимального допустимого воздействия для использования лазерного света в людях22и таким образом ограниченное использование. Метод, занятых в этом исследовании ранее показал, что одновременно подвергая плазмонных наночастиц для обоих лазера освещение и HIFU, лазерный Флюенс и акустического давления, необходимо nucleate эти пузырьки пара небольших резко снижается, и отношение сигнал шум для изображений является увеличение23. Метод описан здесь для объединения плазмонных наночастиц с лазером и HIFU воздействия для очень контролируемый техника для зарождения и деятельности пузырьков пара.

<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

В этом исследовании одновременно подвергаются плазмонных наночастиц золота ближнего инфракрасного импульсного лазерного света и высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU) для контролируемый нуклеации кавитации в ткани подражая гель фантомы. Этот протокол в vitro был разработан для наглядной демонстрации целесообразности этого подхода, для обеих повышение визуализации и терапевтические приложений для рака. Же аппарат может использоваться для визуализации и терапевтические приложений различной продолжительности воздействия HIFU системы. Для короткой продолжительности облучения (10 мкс) Широкополосные акустические эмиссии были получены через контролируемые нуклеации инерционного кавитации вокруг наночастиц золота. Эти выбросы обеспечивают прямую локализации наночастиц. Для будущих применений эти частицы могут быть функционализированных с молекулярной ориентации антител (например, анти HER2 для рака молочной железы) и может обеспечить точной локализации раковой регионах, дополняя рутинной диагностики УЗИ. Для непрерывная волна (CW) облучения активность кавитации была использована для увеличения локализованных Отопление от воздействия HIFU, больших тепловых ущерб в гель фантомы. Акустических выбросов, образующихся от деятельности инерционного кавитации во время этих воздействий CW контролируется с помощью системы обнаружения (PCD) пассивной кавитации для предоставления обратной связи активности кавитации. Увеличение локализованных Отопление было достигнуто только через уникальная комбинация наночастиц, лазерный свет и HIFU. Дальнейшие проверки этой техники в доклинических моделях рака является необходимым.

Кавитация обнаружения от импульсных воздействий HIFU
Системы обнаружения пассивной кавитации записанных данных время напряжения для диапазона HIFU и лазерного облучения в обоих фантомы с и без наночастиц. Рисунок 2 показывает представитель результаты для ряда экспозиций. Шкалы времени на этих участках усекаются до выделения в регионах, где Широкополосные акустические эмиссии было бы ожидать, из-за время полета этих выбросов. Рисунок 2 показывает, что это только тогда, когда есть сочетание наночастиц, HIFU экспозиции и лазерной подсветки обнаружения широкополосного выбросов. Однако это явление по-прежнему порог, как на нижней акустическое давление для Рисунок 2 h широкополосного выбросы не были обнаружены. Продолжительность этих выбросов обычно соответствуют длине HIFU воздействия, который был около 10 МКС в этом исследовании.
Тепловой денатурации от воздействия CW HIFU
Рисунок 3 показывает, что последовательность кадров приобрел от универсальной последовательной шины (USB) камеры во время одного HIFU экспозиции с лазерной подсветки, для трех различных воздействий типов (с/без лазерной подсветки или наночастиц). Эта цифра показывает пример формирования тепловых поражений в гель фантомы для каждого из этих условий. В этом представлении HIFU воздействие происходит слева направо. Для примера, показанного на рисунке 3 пик отрицательное давление было 2,53 МПа, в верхней части того, что был использован в этом исследовании.
Запись инерционного кавитации доза (ICD) от воздействия CW HIFU
Рисунок 4 показывает представитель результаты из расчета МКБ, записанный во время CW HIFU воздействия. Эти данные были пост обработаны от выбросов, Записанная системой PCD во время экспозиции. Цифры 4a, 4 c и 4e показывают, что при отрицательном давлении ниже пика, были обнаружены нет широкополосного выбросов, где цифры 4b, d и f показывают, что МКБ был записан в течение экспозиции. Высокий МКБ сигналы были замечены во время экспозиции в виде геля, содержащего наночастицы с HIFU и лазерного облучения (Рисунок 4f).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg"> Рисунок 1. Схематическое представление экспериментальной аппаратуры, используемые в данном исследовании. Для ясности Микроскоп USB и источника света опущены, но мнение региона иллюстрируется синей пунктирной коробки. CNC - ЧПУ, AuNR - золото наностержни. Рисунок, взято из McLaughlan и др. (2017) 6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg"> Рисунок 2. Пример трассировки, напряжения записаны с системой пассивного кавитации обнаружения во время коротких экспозиций HIFU, с/без одновременного лазерной подсветки. При использовании лазера Флюенс был 2.1 МДж/см2 с отрицательным давлением пик (a-c) 3.0, 2.13 (d-f) и (g-i) 1.43 МПа. LS - лазер, NR - наночастиц. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg"> Рисунок 3. Индивидуальные кадры порой 0, 5, 10 и 15 s во время экспозиции HIFU, записанный USB микроскоп. Флюенс лазер был 3.4 МДж/см2 и пик отрицательное давление 2,53 МПа. Последовательность () был с лазерного облучения и в Фантом без наночастиц, (b) без лазерного облучения и в Фантом, содержащих наночастицы и (c) имеет лазерной подсветки и Фантом, содержащих наночастицы. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg"> Рисунок 4. Рассчитаны без лазерной подсветки инерционного кавитации дозы (ICD), записанный во время облучения (a, b, e и f) с и (c & d). Пик отрицательное давление было либо (a, c и e) 0,91 или (b, d и f) 2.53 МПа. Призрак в (& b) не содержит каких-либо наночастиц. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</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

Этот протокол демонстрирует контролируемый нуклеации кавитации в гель фантомы, путем одновременного воздействия ближнего инфракрасного импульсного лазерного излучения и высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU). Активность кавитации может затем использоваться для повышения изображений и/или терапевтического использования HIFU.

Контролируемый нуклеации кавитации от плазмонных наночастиц золота для укрепления высокой интенсивности сосредоточены УЗИ приложений

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

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в высокой интенсивности сосредоточены ультразвукового поля, такие как может лазерного ультразвука нуклеаленной кавитации быть использованы для руководства, а также повышения HIFU лечения рака. Основным преимуществом этой техники является то, что благодаря сочетанию наночастиц, HIFU и лазерного освещения, он может преодолеть ограничения каждого из этих условий сами по себе. Изготовляем фантомы, чтобы продемонстрировать метод нуклеации.Начните с деионизированной, де-газовой воды комнатной температуры в стеклянном стакане. Кроме того, подготовить 40%вес по объему акриламида / бис-акриламида раствора. Добавьте раствор в воду, а затем буфер, и аммоний persulfate.Поместите стакан в вакуумную камеру, расположенную на магнитной перемешиваемой пластине. Добавьте 40-миллиметровый магнитный перемешивание PTFE в стакан и перемешайте на средней скорости. Медленно добавьте порошок альбумин сыворотки крупного рогатого скота.После этого закройте вакуумную камеру и запустите вакуумный насос. Поддерживайте целевой вакуум и продолжайте помешивать в течение 60 минут. Далее отпустите вакуум и продолжайте работать с раствором.Добавить наночастицы для фантомов, которые требуют их. Для всех фантомов добавьте катализатор. После пяти минут смешивания, залить раствор в отдельных форм и ждать 20 минут.Это пример фантома, который устанавливается и удаляется из формы. Он готов к использованию в эксперименте. После того, как фантомы установлены, хранить пониженные фантомы в герметичном контейнере.Чтобы создать фантом выравнивания, начните с фантомного решения. Поместите стакан и перемешать бар в вакуумной камере на магнитной мешалки. Начните перемешивание на средней скорости, и насос камеры в целевой вакуум.После извлечения раствора, залить 25 миллилитров в форму и добавить катализатор. Подождите 20 минут, прежде чем поместить одномиллиметровую сферическую металлическую цель в центр фантома. Затем вылейте еще 25 миллилитров фантомного раствора в форму.Добавить катализатор и ждать еще 20 минут. При наборе фантом выравнивания готов к использованию или хранению в герметичном контейнере. Подготовь установку для эксперимента.Для этого ими имеется акриловый резервуар для воды с 4,5 литрами деионизированной, де газизированной воды. На одном конце бака поместите акустический амортизатор. Далее, обратить внимание на высокую интенсивность сосредоточены ультразвукового превратно-Гора его, и это совместно выровнены широкополосного гидрофона на трехосевой микрометровой стадии. Полностью погрузите предук и гидрофон в бак, чтобы противостоять амортизатору. Подключите предуцера к цепи сопоставления, которая позволит ему управляться на третьей гармонической.Эта схема соединена непосредственно с выходом усилителя питания RF, который имеет цифровой генератор функций в качестве ввода. Генератор функций запрограммирован удаленно. После калибровки, получить выравнивание фантом продолжать настройку.Фантом должен быть в 3D печатном держателе и установлен на автоматизированной 3D-сцене. Распоимите фантом так, чтобы магнитная цель была на приблизительном фокусном пике превьдуцера. Теперь подключите гидрофон непосредственно к карте сбора данных.Используйте предуцатор и гидрофон для пульса эхолокации цели выравнивания. Отправьте три микросекунды, 10-цикл всплеска, и просматривать обнаруженный сигнал в режиме реального времени на компьютере. Отрегулируйте микрометровую стадию трансдуцера, чтобы изменить время полета и амплитуду сигнала.Система выравнивается после того, как время полета составляет 85 микросекунд, а амплитуда сигнала максимизируется. Затем подключите широкополосный гидрофон непосредственно к фильтру с высоким проходом в пять мегагерц. Отправьте сигнал через 40-децибелный предупроверитель, а затем на карту по сбору данных.Теперь найте лазерное освещение для образца. Синхронизировать 532 нанометровый импульсный лазер с генератором функций с помощью цифрового генератора импульсов задержки TTL. Используйте лазер для перекачки оптического параметрического осциллятора.Свями его выход в фантоме с двухмиллиметровым оптоволоконным пучком. На баке, смонтировать это волокно на микрометровой сцене. Распоить волокно перед фантомом под углом 45 градусов от акустической оси.Для выравнивания используйте видимый свет. Распоитить луч, чтобы иметь цель выравнивания в центре 15-миллиметрового лазерного пятна. Наконец, распоистив цифровой микроскоп и источник белого света по разные стороны резервуара для воды.Намонтировать микроскоп на микрометровой сцене. Распоить его, чтобы иметь цель выравнивания в фокусе в своей области зрения. Убедитесь, что правильный фантом на месте.В этом случае соответствующий фантом ткани заменяет фантом выравнивания. Настройте длину волны лазера на поверхностный плазмоновый резонанс наночастицы. На компьютере управления установите предуцера, чтобы произвести 10-цикл всплеска, и установить лазерную беглость.Целевой координационный пик высокой интенсивности сосредоточены ультразвука взрыв 10 миллиметров в глубину и в 13 уникальных местах в вертикальном направлении, расхитяемых на пять миллиметров. Убедитесь, что фантом ткани находится на месте в баке. Затем с помощью программного обеспечения установите параметры флюенса и непрерывного воздействия волн.Используйте микроскоп для записи теплового образования поражения, так как высокоинтенсивное сфокусированное УЗИ с выбранным пиковым отрицательным давлением направлено в одном месте. Эти данные детектор напряжения по сравнению со временем для короткой, высокой интенсивности сосредоточены ультразвукового воздействия для различных фантомов в различных условиях. В этих наборах данных фантомы также подвергались воздействию лазерного освещения.Тем не менее, один фантом не имеет nanorods и один фантом сделал. В этих наборах данных оба фантома имели нанороды, но один подвергался воздействию лазерного освещения, а другой фантом - нет. Это свидетельствует о том, что широкополосные выбросы обнаруживаются только при наночастицах, ультразвуковом воздействии и лазерном освещении.Этот микроскоп видео служит примером формирования тепловых и кавитации поражений в гель фантом с нанородами подвергаются высокой интенсивности сосредоточены ультразвука и лазерного освещения. При попытке этой процедуры, важно помнить, чтобы носить подходящее личное защитное оборудование при обработке химических веществ и обеспечить правильную защиту глаз используется при использовании лазера. После его развития, этот метод может проложить путь для исследователей в области высокой интенсивности целенаправленной ультразвуковой терапии для изучения с использованием молекулярных целевых наночастиц для повышения лечения рака через целенаправленные и быстрые тепловые абляции.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Синтез и Функционализация легированного азотом Кубки углеродных нанотрубок наночастицами золота как корковыми пробками

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

Проектирование, изготовление, и экспериментальная характеристика Плазмонных Фотопроводящий излучателей терагерцового

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

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

Анализируя движение Навплия &#39;<em&gt; Артемии Салина</em&gt; &#39;Оптическими слежения плазмонных наночастиц

We demonstrate how optical tweezers may provide a sensitive tool to analyze the fluidic vibrations generated by the movement of small aquatic organisms. A ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Обнаружение и восстановление палладия, золота и кобальта металлов из рудника городской использующие новые Датчики / адсорбенты Места с наноразмерных Wagon колеса в форме порах

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Измерение рассеяния нелинейности из Единого Плазмонное наночастицы

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

Многофункциональный Hybrid Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; Аи Наночастицы для эффективного Плазмонное Обогрев

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

Капиллярная основе центробежные Микрожидкостных Прибор для размера контролируемым формирования монодисперсных микрокапель

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

В Ситу Синтез наночастиц золота без агрегации в прослойке пространстве Layered титаната прозрачные пленки

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

Плазмонная Ловушка и Высвобождение Наночастицы в мониторингу окружающей среды

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