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 trabajo fue apoyado por EPSRC concesión J021156/EP/1. El autor desea reconocer el apoyo de una beca de Leverhulme carrera temprana (ECF-2013-247).

1. tejido imitando fabricación fantasma
Nota: Un análisis profundo de las propiedades acústicas del fantasma ópticamente transparente imitando tejido utilizado para todas las exposiciones en este estudio se puede encontrar en Choi, et al. 24
Nota: Cada molde fantasma contiene aproximadamente 50 mL de solución, y para cada lote de un total de cinco moldes están llenos. Así, un total de 250 mL de solución de fantasma está preparado.
<ol><li>Añadir 148,2 mL (60% v/v) de agua desionizado, filtrada y desgasificado a un vaso de vidrio de 500 mL y dejar equilibrar a temperatura ambiente. Añadir 75 mL de 40% (peso/volumen) de solución de acrilamida/Bis-acrilamida (30% v/v) en el vaso de vidrio, seguido de 25 mL de tampón TRIS de 1 M, pH 8 (10% v/v) y 2,15 mL de 10% persulfato de amonio (APS; 0,86% v/v).</li>
	<li>El vaso de cristal dentro de una cámara de vacío que se encuentra en la placa de un agitador magnético y una barra de agitación magnética 40 mm largo politetrafluoroetileno (PTFE) dentro del vaso. Con un medio de revolvimiento de velocidad (es decir, asegurar buena mezcla sin formación de vórtice en el agua), añadir lentamente 22,5 g (9% p/v) de albúmina de suero bovino (BSA) en polvo.</li>
	<li>Una vez todos de BSA ha sido añadido a la solución, cerrar la cámara de vacío y encienda la bomba de vacío. Mantener un vacío de 80 mBar/H y continuar revolviendo durante un 60 minutos más, después de que lanzamiento del vacío. En este punto la solución debe ser transparente con un ligero tinte amarillo.</li>
	<li>La anterior metodología es la misma de fantasmas hechos con y sin nanopartículas. Si las nanopartículas están necesarias, añadir 10 μl (concentración de 1 x 108 np/mL) de nanobarras que tienen una resonancia de plasmón superficial (SPR) a 850 nm y un diámetro de 40 nm.</li>
	<li>Por último, añadir 125 μl de tetramethylethylenediamine (TEMED) para catalizar la polimerización de la fantasma. Esperar un más 5 minutos para permitir la mezcla, luego verter la solución fantasma en 5 moldes individuales y esperar 20 min para ajustar. Una vez, eliminarlos de los titulares y almacenar en un envase hermético hasta su uso. Utilice fantasmas dentro de 24 h de fabricación.</li>
</ol>2. calibración de transductores HIFU campo libre presión acústica
Nota: Esta sección del Protocolo no es necesaria antes de cada experimento de lesiones e imágenes. Es un procedimiento de calibración que se realizará a intervalos regulares para asegurar la salida acústica del sistema es correcta.
<ol><li>Llenar un tanque de agua de acrílico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L de agua desionizado y desgasificado. Monte el transductor HIFU en un post de posición fija en un extremo del tanque, en. Paralelo a este, Monte un calibrado (realizado por el laboratorio físico nacional) hidrófono de la membrana a un escenario de micrómetro manual de tres ejes en el centro aproximado del transductor HIFU (63 mm).</li>
	<li>Conectar el transductor HIFU (geométrica foco 63 mm) al circuito de impedancias, entonces amplificador de potencia (como se muestra en la figura 1). Luego conecte el hidrófono de membrana directamente al sistema de adquisición de datos, asegurando que se proporciona una señal de disparo desde el generador de funciones conectado al amplificador de potencia (figura 1).</li>
	<li>Ajustar la tensión de salida del generador de funciones a 30 mV, con un ciclo de 10 3,3 MHz sinusoidal a una frecuencia de repetición de pulso de 100 Hz.</li>
	<li>Utilizando el software de medición (véase Tabla de materiales) para visualizar la señal acústica detectada y la etapa de micrómetro, colocar el pulso acústico detectado a la hora de vuelo (42.5 μm). Utilizando únicamente una sola dirección radial en un momento en la etapa de micrómetro, maximizar la señal acústica detectada. Una vez seguros de que esto se ha logrado, cerrar el software y dejar el hidrófono de la membrana en su posición actual.</li>
	<li>Variar la tensión de salida del generador de funciones de 20-400 mV en 20 incrementos de mV. A cada tensión de nivel y utilizando el software de adquisición de MatLab, record el hidrófono señales. Adquirir 100 pulsos en cada nivel y convertir de datos voltaje presión utilizando los datos de calibración suministrada. Promedio de los datos y medir tanto el pico valores positivos y negativos para todos los niveles de voltaje de salida. Esto da los datos de calibración de la presión negativa de pico de campo libre para tanto el pulso y continúa estudios de onda.</li>
</ol>3. configuración del aparato Experimental para ambos estudios de onda pulsada y continua
<ol><li>Llenar un tanque de agua de acrílico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L de agua desionizado y desgasificado. Montar el transductor HIFU y el hidrófono banda ancha Co alineado a un escenario de micrómetro manual de tres ejes. Luego, sumerja completamente el transductor y el hidrófono en el tanque de agua. Un esquema de esto se muestra en la figura 1.</li>
	<li>Conectar el transductor HIFU a un circuito de adaptación de impedancias, para que pueda ser conducido en su tercer armónico (3,3 MHz). Este circuito se conecta directamente a la salida de un amplificador de RF. Un generador de funciones digital está conectado a la entrada del amplificador y programar remotamente.</li>
	<li>Antes de las exposiciones en fantasma material, utilizar un hidrófono calibrado membrana diferencial para medir la presión negativa de pico generada en este sistema para un determinado voltaje de entrada en el generador de funciones como se describe en 2. Utilice estos valores de voltaje de referencia para establecer el nivel de presión requerida en el generador de funciones digital.</li>
	<li>Conecte la banda ancha hidrófonos (geométrica foco 63 mm) que se encuentra en la abertura central del transductor HIFU directamente a un filtro de paso alto de 5 MHz. Luego conectarlo a una tarjeta de adquisición de 14 bits de datos (DAQ) a través de un preamplificador de 40 dB. Asegúrese que el filtro está conectado con el diagonal correcta. Nota: Esta tarjeta se instala en una PC de escritorio y se utiliza para controlar todo el hardware (ejemplos de este software se puede encontrar como archivos complementarios) y guardar los datos para su procesamiento fuera de línea durante este estudio.</li>
	<li>Conectar un generador de pulsos digital delay de transistor-transistor lógica (TTL) con cables de bayoneta Neill-Concelman (BNC) para ambos el láser pulsado sistema y función generador para la sincronización entre estos sistemas, que se asegurará de que el 7 ns láser pulso es coincidente en la región de destino durante el cuarto pico de rarefacción del transductor HIFU.</li>
	<li>Usando el método descrito en 1, omite la BSA y nanopartículas para hacer una alineación fantasma, que es material fantasma estándar que contiene un objetivo metálico esférico de 1 mm (un rodamiento de bolas). Para lograr esto, verter 25 mL de material de fantasma en un molde agregar 62,5 catalizador TEMED de μl y esperar unos 20 min para ajustar. Luego colocar el blanco metálico centralmente en el fantasma y añadir una más 25 mL de solución fantasma seguido por el catalizador de 62.5 μl TEMED y un más 20 minutos esperar.</li>
	<li>Coloque la alineación fantasma en el soporte impreso 3-6, montar en un escenario 3D automatizado y coloque aproximadamente de manera que el blanco metálico está en el punto focal del transductor HIFU.</li>
	<li>Utilizando el transductor HIFU para enviar una corta duración ciclo 10 explosión (3 μs) y el hidrófono para recibir (conectado directamente a la tarjeta DAQ), la posición en relación con el objetivo de la alineación está optimizada a través de la ubicación de pulso-eco. El tiempo real detecta señal aparecerá en el equipo. Ajustar el tiempo de vuelo y señal de amplitud con la etapa de micrómetro manual que el HIFU transductor e hidrófono está montado sobre. Una vez que el tiempo de vuelo se encuentra a 85 μs (solo ida y vuelta) y la amplitud de la señal ha sido maximizada en ambas direcciones radial, este sistema se alinean.</li>
	<li>Par la energía óptica desde el oscilador paramétrico óptico (OPO) bombea por el láser de 532 nm nanosegundo pulsado en el fantasma con un paquete de fibra de 2 mm. Montar esta fibra en una segunda etapa de micrómetro y posición en un ángulo de 45 ° desde el eje acústico delante del fantasma (figura 1). La longitud de onda de la luz laser se encuentra a 680 nm sea visible para la alineación. Una vez visible, la posición la iluminación del laser con la etapa de micrómetro que el objetivo del alineamiento es central en un punto de láser de 15 mm de diámetro.</li>
	<li>Coloque el microscopio digital de 20-90 x (trabajo 90 mm la distancia) y una fuente de luz blanca en los lados opuestos del tanque de agua perpendicular al plano de propagación del transductor HIFU. El microscopio está montado sobre una platina micrómetro pequeño. Posición tal que la alineación metálica blanco es central y el foco en su campo de visión (5 x 6 mm). Nota: Una vez finalizado el procedimiento anterior, todos los elementos de este sistema (HIFU transductor, hidrófono, iluminación láser y microscopio) están ahora Co alineados en una ubicación específica. La alineación fantasma ahora puede reemplazarse con tejido imitando los fantasmas de la utilizada para el estudio. Como el fantasma se monta en un soporte conectado a un sistema de posicionamiento 3D, diferentes regiones pueden orientarse mientras mantiene la alineación.</li>
</ol>4. cavitación detección de umbral de exposición pulsada HIFU
Nota: El siguiente procedimiento es el mismo para fantasmas con o sin nanopartículas y debe repetirse tres veces.
<ol><li>Asegúrese de que el sistema PCD es conectado después de ser desconectado por el procedimiento de alineación indicados en 3.8 y ajustar la longitud de onda del láser a lo SPR de las nanopartículas. Utilizando un programa de control personalizado, ajuste el generador de funciones para producir una explosión HIFU de 10 ciclo (3 μs), que se sincroniza con el sistema láser. También utilizar este programa para establecer un fluence láser 0.4, 1.1, 2.1 y 3.4 mJ/cm2 , aunque cambiando la sincronización entre el disparo de la leña de la lámpara de flash y la apertura de Q-switch en el sistema de láser.</li>
	<li>Objetivo la máxima focal del sistema HIFU 10 mm en el fantasma y en 13 lugares únicos, espaciadas de 5 mm, en la dirección vertical. En cada una de estas localidades realizar una exposición a una presión HIFU negativo solo pico, con las fluencias de cuatro láser indicados en 4.2.</li>
	<li>Uso la gama de pico negativo presiones MPa 0 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53, 2.71, 2.83, 3.00 y 3.19 para las siguientes condiciones de exposición: láser en nanopartículas fantasma gratis, laser apagado en una nanopartícula fantasma y láser en una nanopartícula fantasma. Para simular un láser 'farsa' exposición, haga funcionar el sistema como se describe, pero cierre el obturador manual de la salida de la OPO. Este enfoque asegurará que cualquier ruido de RF generado estará presente al sistema DPC.</li>
	<li>Programar todos los ajustes y posiciones de la exposición en el programa de control y luego ejecutar para llevar a cabo estas medidas. Datos PCD es digitalizados y almacenan directamente utilizando la tarjeta de adquisición de datos para procesamiento posterior. Para cada parámetro de exposición, 500 repetir exposiciones son adquiridos6.</li>
	<li>Procesar las emisiones de banda ancha detectadas por el sistema PCD de las exposiciones de corta duración HIFU a los fantasmas mediante la técnica detallada por McLaughlan et al. (2017) 6.</li>
</ol>5. termal desnaturalización de exposiciones HIFU de onda continua
Nota: El siguiente procedimiento es el mismo para fantasmas con o sin nanopartículas y se repitieron tres veces.
<ol><li>Sistema laser para dar un fluence de 3,4 mJ/cm2 y el generador de funciones para proporcionar una exposición CW (cada ciclo de 330.000 explosión está sincronizado con un pulso de láser). En 11 lugares únicos en el fantasma, seleccione una presión negativa máxima de 0.20, 0.62, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53 o 2.71 MPa.</li>
	<li>Utilizar un tiempo de exposición total de 17 s para adquirir 1s de línea de base antes y después de una exposición HIFU s CW 15 en el fantasma. Durante este tiempo de exposición total, el sistema de adquisición de datos está grabando los datos de la PCD. El microscopio está conectado a la PC de control y los marcos de imagen se registran durante este tiempo para ofrecer una visualización directa de la formación de la lesión térmica.</li>
	<li>Repita el proceso en la 4.3 para todas las condiciones de exposición diferentes que se indica en 4.4.</li>
	<li>Procesar todos los datos de PCD off-line para el cálculo de la cavitación inercial dosis25 para cada exposición.</li>
</ol>

<ol>
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El autor no tiene nada que revelar.

Este protocolo se divide en cuatro secciones, que describen la fabricación de la phantom imitando tejido a través de las exposiciones CW en ellos para producir la desnaturalización térmica generada. Esta desnaturalización de los fantasmas simula necrosis de coagulación térmica generada por tejidos blandos expuestos a HIFU1. En su fabricación, es importante asegurarse de que la relación entre APS y TEMED es tal que el proceso no catalizan rápidamente. Como este proceso es exotérmico, más rápido esta tasa, la más alta alcanza la temperatura de25 y así podría desnaturalizar las proteínas BSA antes de la exposición. La relación de APS a TEMED en este protocolo se ha establecido que esto no ocurre, sin embargo los moldes deberá colocarse en agua con hielo durante la polimerización del gel a minimizar aún más esta posibilidad.
Como este protocolo se centra en la nucleación de la cavitación a través de la combinación de nanopartículas, iluminación láser y exposición HIFU, es un paso crítico en la fabricación de los fantasmas del gel desgasificación bajo vacío para un mínimo de 30 minutos. Una vez expuesto a HIFU (particularmente las exposiciones CW), aunque una lesión térmica no estaba presente, es importante dirigirse a un lugar fresco en los fantasmas de gel para evitar los núcleos preexistentes. Cuando el fantasma usando la computadora en movimiento controlado sistema de traducción es importante asegurar que la profundidad de los HIFU foco (y así alineada región) se mantiene constante. Esto asegura que los niveles de fluencia de presión y láser HIFU son uniformes para cada parámetro de exposición específica. Para este protocolo y después de la colocación inicial del titular fantasma, entonces es sólo traducido en el eje vertical.
Los geles de mímica de tejido sensible a la temperatura se utilizan ampliamente por la comunidad de investigación HIFU de25, ya que proporcionan un mecanismo visual para el seguimiento de la formación de una lesión térmica. Este estudio fue el primer ejemplo de combinación con nanopartículas y demostrar la mejora a la formación de la lesión a través de la actividad de cavitación controlada. Sin embargo, aunque se clasifican como tejidos imitan su respuesta a la temperatura, tanto su atenuación óptica y acústica no es. Debido a la necesidad de visualizar la formación de la lesión en los geles, los fantasmas son cerca de transparente, con un ligero tinte amarillo. Como la fluencia del láser se ajusta a cuenta de esto, significa que la luz láser ilumina la región objetivo es colimado en lugar de difusores como sería para el tejido normal. Por lo tanto para permitir la traducción clínica iluminación múltiples fuentes se necesitarían para garantizar suficiente fluencia en la superficie. Actualmente esta obra se adhiere a las pautas22 para el uso seguro de láseres cuando se expone a la piel. Esto limitaría la fluencia máxima láser alcanzable en profundidad; por lo tanto, esta técnica inicialmente se adecuada para el tratamiento de cánceres superficiales tales como mama, o cabeza y cuello. Además, nanopartículas plasmónica dirigidas a receptores de superficie para estos tipos de cáncer podrían proporcionar mayor selectividad en los tratamientos. Sin embargo, aunque esta es un área muy activa de investigación, tales partículas no están actualmente aprobados para uso clínico.
La atenuación acústica de los fantasmas con nanopartículas fue medida para ser 0.7±0.2 dB/cm6y, en comparación con el valor de tejido blando de 3-4 dB/cm, es significativamente menor. Así, el calentamiento de la exposición HIFU en estos geles sería más bajo que se observaría en los tejidos blandos. Se ha demostrado que además de perlas de vidrio sobre el gel aumenta los niveles de atenuación similares a tejidos blandos25. Sin embargo, en esta aplicación, este enfoque no es posible que estos granos actuar una fuentes de nucleación para la actividad de la cavitación aun en ausencia de las nanopartículas y tergiversar así el umbral de cavitación. Al comparar la eficacia de la calefacción para los resultados del estudio por Choi et al. (2013) 25, lesiones térmicas se generaron en las gamas de presión pico de MPa 14-23 (no se indicó si se trataba de presión positiva o negativa máxima). Como se realizó en 1,1 MHz, la atenuación en los fantasmas fue menor que el utilizado en este estudio. Sin embargo, el enfoque de nanopartículas nucleadas en este estudio fue capaz de generar lesiones térmicas en estos fantasmas a presiones que van desde 1.19 a 3.19 MPa, mostrando así un aumento de la eficiencia sobre las metodologías actuales.
Futuras evaluaciones para esta metodología se debe realizar en un modelo en vivo para incorporar la reducción del tumor, la perfusión del tejido, molecular de las nanopartículas y los parámetros de atenuación acústica relevante.

Intensidad alta enfocada ultrasonidos (HIFU), o cirugía de ultrasonido (FUS), es una técnica no ionizante y no invasivo que se utiliza para la ablación térmica de tejido subcutáneo1. Es el principal uso de HIFU en el tratamiento de tumores de tejidos blandos2, pero está empezando a ser utilizado para otras aplicaciones, como tratamiento de tumores de hueso3 o condiciones neurológicas4. Hay dos factores principales que limitan el uso generalizado de HIFU en la clínica: en primer lugar, las dificultades en la dirección de tratamiento y en segundo lugar, el tratamiento largo tiempo5. La combinación de HIFU, iluminación láser pulsado y plasmónica nanobarras de oro descritas por este método podría proporcionar una manera de superar las limitaciones actuales de HIFU6.
Durante exposiciones HIFU, el mecanismo dominante de la ablación de tejido es daño térmico. Sin embargo, la actividad de cavitación también puede jugar un papel8. Actividad de cavitación que se produce durante exposiciones HIFU puede consistir en ambos cavitación mecánica o térmicamente mediada. Cavitación mecánica mediada generalmente se conoce como cavitación acústica7, que se subclasifican más burbujas que experimenta cualquier comportamiento inercial o no inercial9 . Mediada térmicamente cavitación es la formación de bolsas de gas, a través de ex-solución o vaporización y se conoce comúnmente como 'hirviendo'10. Actividad de cavitación, más comúnmente cavitación inercial, se ha demostrado para realzar la termal puede lograr a través de exposiciones HIFU11 tasas de calentamiento y así solucionar uno de sus principales limitaciones. Sin embargo, la formación y la actividad de la cavitación durante exposiciones HIFU pueden ser impredecibles y conducir a efectos negativos como exceso tratados regiones o ablación térmica asimétrica12. Para controlar la actividad de cavitación durante exposiciones HIFU, la introducción de núcleos externos ha sido investigada. Éstos pueden tomar la forma de microburbujas13, desplazamiento de fase nanoemulsiones14 o nanopartículas plasmónica15. Microburbujas y nanoemulsiones han demostrado para mejorar la señal a ruido para la proyección de imagen y mayor ablación térmica. Sin embargo, su naturaleza transitoria significa que tienen una limitada funcionalidad sobre repetidas exposiciones HIFU. Monitoreo de la actividad de cavitación durante exposiciones HIFU se realiza utilizando cualquier detección de cavitación activa o pasiva (ACD o PCD, respectivamente). PCD es una técnica favorita para la detección de la cavitación, ya que puede realizarse simultáneamente con la exposición HIFU y proporciona información de contenido espectral. Entonces este contenido espectral puede analizarse aún más para ayudar a identificar el tipo de actividad de cavitación que se producen16. Se utilizan las emisiones acústicas de banda ancha, ya que estas emisiones son únicas a la presencia de cavitación inercial10 y están relacionadas con HIFU mayor calefacción11.
Fotoacústica (PAI) de la proyección de imagen es un emergente técnica17, que combina la selectividad espectral de la excitación láser pulsado con la alta resolución del ultrasonido proyección de imagen18la proyección de imagen clínica. Previamente se ha utilizado para guiar HIFU exposiciones19, pero esta técnica está limitada por la profundidad de penetración de la luz laser. Nanopartículas de oro plasmónica pueden utilizarse para actuar como 'agentes de contraste', aumentando la absorción local de la luz láser y posteriormente la amplitud de fotoacústica emisiones20. Para fluencias láser lo suficientemente alta, es posible provocar la generación de burbujas de vapor microscópico que puede ser utilizado para la proyección de imagen altamente localizado21. Sin embargo, estos niveles de exposición típicamente exceden el límite máximo de exposición permitido para el uso de luz en los seres humanos22laser y así han limitado uso. El método empleado en este estudio ha demostrado previamente que exponiendo simultáneamente las nanopartículas plasmónica a ambos láser iluminación y HIFU, la fluencia del láser y las presiones acústicas necesarias para nuclear las burbujas de vapor pequeño está drásticamente reducida, y la relación de señal a ruido para la proyección de imagen es mayor23. Aquí se describe un método para combinar nanopartículas plasmónica con láser y exposiciones HIFU para una técnica altamente controlable para la nucleación y la actividad de burbujas 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

En este estudio, nanopartículas de oro plasmónica fueron expuestas simultáneamente a pulsado laser del infrarrojo cercano ligero y de intensidad alta enfocada ultrasonido (HIFU) para la nucleación controlable de la cavitación en el tejido imitando gel fantasmas. Este protocolo en vitro fue desarrollado para demostrar la viabilidad de este enfoque, por tanto mejora de aplicaciones imagen y terapéuticas para el cáncer. El mismo aparato puede utilizarse para aplicaciones de imagen y terapéuticas mediante la variación de la duración de la exposición del sistema HIFU. Para exposiciones de corta duración (10 μs), se obtuvieron las emisiones acústicas de banda ancha a través de la nucleación controlada de la cavitación inercial alrededor de las nanopartículas de oro. Estas emisiones proporcionan la localización directa de nanopartículas. Para futuras aplicaciones, estas partículas pueden ser funcionalizadas con anticuerpos dirigidos a molecular (e.g. anti-HER2 para el cáncer de mama) y pueden proporcionar la localización precisa de regiones cancerosas, complementando la proyección de imagen de ultrasonido para diagnóstico rutinario. Para exposiciones de onda continua (CW), la actividad de cavitación se utilizó para aumentar el calentamiento localizado de las exposiciones HIFU que resulta en mayor daño térmico en los fantasmas de gel. Las emisiones acústicas generadas de la actividad de la cavitación inercial durante estas exposiciones CW fue monitoreado mediante un sistema de detección (PCD) cavitación pasiva para proporcionar una retroalimentación de la actividad de la cavitación. Mayor calefacción localizada fue alcanzada sólo a través de una combinación única de nanopartículas, luz láser y HIFU. Validación adicional de esta técnica en modelos preclínicos de cáncer es necesario.

Detección de la cavitación de la exposición pulsada de HIFU
El sistema de detección pasiva cavitación registró los datos de tensión/tiempo para las exposiciones gama de HIFU y láser en ambos fantasmas con y sin nanopartículas. La figura 2 muestra los resultados representativos de una gama de exposiciones. Las escalas de tiempo en estas parcelas se truncan para resaltar las regiones donde las emisiones acústicas banda ancha sería de esperar, debido al tiempo de vuelo de estas emisiones. Figura 2 demuestra que es sólo cuando hay una combinación de nanopartículas, iluminación de exposición y láser HIFU que se detectan las emisiones de banda ancha. Sin embargo, esto sigue siendo un fenómeno de umbral, como en la presión acústica inferior figura 2 h no se detectaron emisiones de banda ancha. La duración de estas emisiones corresponden típicamente a lo largo de la exposición HIFU, que era aproximadamente 10 μs en este estudio.
Desnaturalización térmica de una exposición de HIFU de CW
La figura 3 muestra que una serie de cuadros adquiridos en el bus serie universal (USB) de la cámara durante una sola exposición HIFU con iluminación láser, para los tipos de tres diferentes exposiciones (con o sin iluminación láser o nanopartículas). Esta figura muestra un ejemplo de la formación de lesiones térmicas en los fantasmas de gel para cada una de estas condiciones. En esta visión el HIFU exposición se produce de izquierda a derecha. Para el ejemplo mostrado en la figura 3 el pico de presión negativa fue 2.53 MPa, el borde superior de lo que se utilizó en este estudio.
Registro de dosis de cavitación inercial (CIE) de la exposición de HIFU de CW
La figura 4 muestra resultados representativos del cálculo del ICD en exposiciones de HIFU de CW. Esta información fue procesada de las emisiones registradas por el sistema PCD durante la exposición. Figuras 4a, 4C y 4e muestran que en una menor presión negativa máxima, ninguna emisión de banda ancha se ha detectado, donde figuras 4b, d y f muestran que ICD fue grabado a lo largo de la exposición. Las señales más altas de ICD fueron observadas durante la exposición en un gel que contiene nanopartículas con exposiciones HIFU y láser (figura 4f).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg"> Figura 1. Una representación esquemática de los aparatos experimentales utilizados en este estudio. Para mayor claridad, se omiten el microscopio USB y fuente de luz, pero la región vista se ilustra en un cuadro azul discontinuo. CNC - control numérico computarizado, AuNR - nanorods de oro. Figura adaptada de McLaughlan et al. (2017) 6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg"> Figura 2. Un ejemplo de los rastros de tensión registrados con el sistema de detección pasiva de cavitación durante cortas exposiciones HIFU, con/sin iluminación láser simultánea. Cuando se utiliza, la fluencia del láser fue 2.1 mJ/cm2 con una presión negativa máxima de (-c) 3.0, 2.13 (d-f) y (g-i) 1.43 MPa. LS - laser, NR - nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg"> Figura 3. Persona marcos a veces 0, 5, 10 y 15 s durante una exposición HIFU registrada por el microscopio USB. La fluencia del láser fue 3,4 mJ/cm2 y pico de presión negativa de 2.53 MPa. Secuencia (a) fue con la exposición del laser y en un fantasma sin nanopartículas, (b) es sin exposición del laser y un fantasma que contienen nanopartículas y (c) tiene iluminación láser y un fantasma que contienen nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg"> Figura 4. Calcula la inercia cavitación dosis (ICD) grabado durante exposiciones (a, b, e y f) con y (c y d) sin iluminación láser. Presión negativa máxima era ya sea (a, c y e) 0.91 o (b, d & f) 2.53 MPa. El fantasma en (a y b) no contenía ningún nanopartículas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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

Este protocolo muestra la nucleación controlable de la cavitación en gel fantasmas, a través de la exposición simultánea a infrarroja pulsada de luz de láser y ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU). La actividad de la cavitación puede utilizarse entonces para aumentar la imagen o terapéutico uso de HIFU.

Nucleación controlable de la cavitación de la plasmónica nanopartículas de oro para aumentar la intensidad alta enfocada ultrasonido aplicaciones

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

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de ultrasonido centrado en la alta intensidad, como puede la cavitación nucleada por ultrasonido láser se puede utilizar para guiar, y también mejorar los tratamientos contra el cáncer HIFU. La principal ventaja de esta técnica es que a través de la combinación de nanopartículas, HIFU e iluminación láser, puede superar las limitaciones de cada una de estas modalidades por sí mismos. Fabricar fantasmas para demostrar el método de nucleación.Comience con agua des-ionizada, desgasificado y a temperatura ambiente en un vaso de precipitados de vidrio. Además, preparar una solución de acrilamida/bis-acrilamida del 40% de peso en volumen. Añadir la solución al agua, seguido de un tampón, y persulfato de amonio.Coloque el vaso de precipitados dentro de una cámara de vacío situada sobre una placa de agitador magnético. Agregue una barra de agitación magnética de PTFE de 40 milímetros de largo al vaso de precipitados y revuelva a velocidad media. Añadir lentamente polvo de albúmina sérica bovina.Cuando haya terminado, cierre la cámara de vacío e inicie la bomba de vacío. Mantenga el vacío objetivo y continúe revolviendo durante 60 minutos. A continuación, suelte el vacío y continúe trabajando con la solución.Agregue nanopartículas para fantasmas que las requieran. Para todos los fantasmas, agregue el catalizador. Después de cinco minutos de mezcla, vierta la solución en moldes individuales y espere 20 minutos.Este es un ejemplo de un fantasma que se establece y se elimina del molde. Está listo para usar en el experimento. Una vez que los fantasmas estén establecidos, guarde los fantasmas desmoldeados en un recipiente hermético.Para producir un fantasma de alineación, comience con la solución fantasma. Coloque el vaso de precipitados y revuelva la barra en una cámara de vacío sobre un agitador magnético. Comience a agitar a velocidad media y bombee la cámara hasta el vacío objetivo.Después de recuperar la solución, vierta 25 mililitros en un molde y agregue el catalizador. Espere 20 minutos antes de colocar un objetivo de metal esférico de un milímetro en el centro del fantasma. Luego, vierta otros 25 mililitros de la solución fantasma en el molde.Agregue el catalizador y espere otros 20 minutos. Cuando se establece, el fantasma de alineación está listo para su uso o almacenamiento en un contenedor hermético. Prepare la configuración para el experimento.Para ello, tenga un tanque de agua acrílica con 4,5 litros de agua desoxizada y desgasizada. En un extremo del tanque, coloque un absorbedor acústico. A continuación, preste atención al transductor de ultrasonido enfocado de alta intensidad.Montarlo y es co-alineado hidrófono de banda ancha en una etapa de micrómetro de tres ejes. Sumerja completamente el transductor y el hidrófono en el tanque para hacer frente al absorbedor. Conecte el transductor a un circuito de coincidencia de impedancia que le permitirá ser conducido en su tercer armónico.Este circuito está conectado directamente a la salida de un amplificador de potencia RF, que tiene un generador de función digital como su entrada. El generador de funciones se programa de forma remota. Después de la calibración, obtenga un fantasma de alineación para continuar la configuración.El fantasma debe estar en un soporte impreso en 3D y montado en una etapa 3D automatizada. Coloque el fantasma de modo que el objetivo magnético esté en el pico focal aproximado del transductor. Ahora, conecte el hidrófono directamente a la tarjeta de adquisición de datos.Utilice el transductor y el hidrófono para controlar el ecolocalización del objetivo de alineación. Envíe una ráfaga de tres microsegundos y 10 ciclos y vea la señal detectada en tiempo real en el ordenador. Ajuste la etapa del micrómetro del transductor para cambiar la hora de vuelo y la amplitud de la señal.El sistema se alinea una vez que el tiempo de vuelo es de 85 microsegundos y se maximiza la amplitud de la señal. A continuación, conecte el hidrófono de banda ancha directamente a un filtro de paso alto de cinco megahercios. Envíe la señal a través de un preamplificador de 40 decibelios y, a continuación, a una tarjeta de adquisición de datos.Ahora, configure la iluminación láser para la muestra. Sincronice un láser de pulso de 532 nanómetros con el generador de funciones mediante un generador de pulsos de retardo digital TTL. Utilice el láser para bombear un oscilador paramétrico óptico.Acoplar su salida en el fantasma con un haz de fibra de dos milímetros. En el tanque, monte esta fibra en una etapa de micrómetros. Coloque la fibra delante del fantasma en un ángulo de 45 grados desde el eje acústico.Para la alineación, utilice luz visible. Coloque el haz para que el objetivo de alineación tenga el objetivo de alineación en el centro de un punto láser de 15 milímetros. Por último, coloque un microscopio digital y una fuente de luz blanca en lados opuestos del tanque de agua.Monte el microscopio en una etapa de micrómetro. Colótrelo para que el objetivo de alineación se enfoque en su campo de visión. Asegúrese de que el fantasma correcto esté en su lugar.En este caso, el fantasma de tejido apropiado reemplaza el fantasma de alineación. Ajuste la longitud de onda del láser con la resonancia del plasmón superficial de la nanopartícula. En el ordenador de control, configure el transductor para producir una ráfaga de 10 ciclos y para ajustar la fluidez del láser.Apunte al pico focal de la ráfaga de ultrasonido focal de alta intensidad de 10 milímetros de profundidad y a 13 ubicaciones únicas en la dirección vertical espaciadas por cinco milímetros. Asegúrese de que un fantasma de tejido esté en su lugar en el tanque. A continuación, con el software, establezca los parámetros de fluencia y exposición continua a ondas.Utilice el microscopio para registrar la formación de lesiones térmicas, ya que el ultrasonido enfocado de alta intensidad con una presión negativa máxima elegida se dirige a un solo lugar. Estos datos son voltaje detector en comparación con el tiempo para la exposición de ultrasonidos focalizada de corta y alta intensidad para diferentes fantasmas en diferentes condiciones. En estos conjuntos de datos, los fantasmas también estaban expuestos a la iluminación láser.Sin embargo, un fantasma no tenía nanorods y un fantasma lo hizo. En estos conjuntos de datos, ambos fantasmas tenían nanorods, pero uno estaba expuesto a la iluminación láser y el otro fantasma no. Esto demuestra que las emisiones de banda ancha se detectan solo cuando las nanopartículas, la exposición a ultrasonidos y la iluminación láser están presentes.Este video del microscopio proporciona un ejemplo de la formación de lesiones térmicas y de cavitación en un fantasma de gel con nanorods expuestos a ultrasonidos y iluminación láser enfocados de alta intensidad. Al intentar este procedimiento, es importante recordar usar un equipo de protección personal adecuado al manipular los productos químicos y asegurarse de que se utiliza una protección ocular correcta cuando se utiliza el láser. Después de su desarrollo, esta técnica podría allanar el camino para que los investigadores en el campo de la terapia de ultrasonido de alta intensidad enfocada explorar el uso de nanopartículas moleculares dirigidas para mejorar los tratamientos oncológicos a través de ablaciones térmicas dirigidas y rápidas.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Síntesis y funcionalización de nitrógeno dopados Copas de nanotubos de carbono con nanopartículas de oro como tapones de corcho

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

Investigación

Ingeniería

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

Diseño, Fabricación y Caracterización Experimental de Plasmónicos Emisores terahercios fotoconductoras

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

Analizando el movimiento de la Nauplio &#39;<em&gt; Artemia salina</em&gt; &#39;Por Optical Tracking de plasmónicas nanopartículas

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

Detección y recuperación de paladio, oro y cobalto Metales de la Mina Urbana utilizando sensores Novela / adsorbentes designados con nanoescala Los poros en forma de rueda-Wagon

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

La medición de la dispersión no linealidades de una nanopartícula Individual plasmónicas

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

Multifuncional híbrido Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Au Nanopartículas para la calefacción eficiente plasmónicas

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 de microfluidos centrífuga basada en capilar para la Formación Tamaño-controlable de monodisperso 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 Síntesis de nanopartículas de oro sin agregación en el espacio entre capas de Capas de titanato películas 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

Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

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

An Efficient Method for Selective Desalination of Radioactive Iodine Anions by Using Gold Nanoparticles-Embedded Membrane Filter

Un método eficiente para la desalinización selectiva de aniones de yodo radiactivo mediante el uso de filtro de membrana incorporado en nanopartículas de oro