Zaad-gemedieerde synthese van instelbare aspectverhouding goudnanostaven voor verbeterde nabij-infrarood photoacoustische imaging

Samenvatting

Instelbare-aspectverhouding goudnanostaven werden geproduceerd via een verfijnd zaad-gemedieerd protocol dat ascorbijnzuur als vorm-gedirecteerd agent gebruikt. Door de ascorbijnzuur-dosering aan te passen, werden de staven aspectverhoudingen afgestemd van 8,5 tot 15,6, wat longitudinale oppervlakte-plasmon-resonantie pieken opleverde die het nabij-infrarood (NIR) venster beslaan (≈680–1100 nm). Na oppervlaktefunctionalizatie met thiol-polyethyleenglycol (SH-PEG), vertonen de nanostaven uitstekende biocompatibiliteit en colloïdale stabiliteit, wat ze positioneert als veelbelovende NIR photoacoustische contrastagentia. In vitro en in vivo studies demonstreren een 3,1-voudige toename in contrast en een 5,6-voudige stijging in signaal-ruis-verhouding (SNR) ten opzichte van controles, wat het voordeel van instelbare absorptie voor photoacoustische imaging (PAI) benadrukt.

Achtergrond

Eendimensionale nano-structuren—nanodraden, nanostaven, nanobuisjes, en nanoriemen—bieden anisotrope geometrieën die ideaal zijn voor nanotoestellen en biomedische toepassingen. Goudnanostaven (AuNRs) zijn bijzonder aantrekkelijk omdat hun vorm-afhankelijke oppervlakte-plasmon-resonantie (SPR), gemakkelijke synthese, en vatbaarheid voor oppervlaktemodificatie ze ideale contrastagentia maken voor PAI en fotothermale therapie. Recente vooruitgang heeft nauwkeurige afstemming van de longitudinale SPR mogelijk gemaakt door de aspectverhouding te controleren, wat resonantie binnen de optische vensters van biologisch weefsel (700–950 nm en 1000–1350 nm) mogelijk maakt. Echter, schaalbare synthese van hoge-aspectverhouding AuNRs met brede NIR-absorptie blijft een uitdaging.

In dit werk rapporteren we een eenvoudige zaad-gemedieerde methode die AuNRs oplevert met aspectverhoudingen van 8,5 tot 15,6 door de ascorbijnzuur-concentratie te moduleren. De resulterende staven tonen een instelbare NIR-absorptieband van 680–1100 nm en, wanneer PEG-gefuntionaliseerd, demonstreren ze verwaarloosbare cytotoxiciteit en robuuste in vivo imaging-prestaties.

Experimenteel

Synthese van Goudnanostaven

Het gemodificeerde zaad-gemedieerde protocol volgt vastgestelde procedures (Ref. 16,17). Kortweg, 10,3 mL van 0,025 M HAuCl₄ en 3,644 g CTAB werden gemengd, verdund met gedemineraliseerd water tot 2,5×10⁻³ M HAuCl₄ en 0,1 M CTAB, en verdeeld over kolven A–D. Een 350 µL ijskoud 0,01 M NaBH₄ zaadoplossing werd aan kolv A toegevoegd en 3 min geroerd. Opeenvolgende aliquoten (0,4 mL) van kolven A, B, en C werden overgebracht naar B, C, en D, elk ontvangend 25 µL van 0,1 M ascorbijnzuur (AA). Na een 5-s roeren, werden 4 mL uit kolv C en 250 µL AA toegevoegd aan kolv D, wat vervolgens 12 u bij 28 °C achterbleef. Het resulterende neerslag werd herhaaldelijk gewassen met gedemineraliseerd water om overtollig CTAB te verwijderen, wat de typische nanostaven (AuTR) opleverde.

Door het AA-volume te variëren—35 µL, 30 µL, 20 µL, en 15 µL in de vier-stapsreeks—werden aspectverhoudingen van 8,5, 10,5, 12,5, en 15,6 bereikt, respectievelijk.

Oppervlaktemodificatie van AuNRs

SH-PEG (10 mg in 1 mL water) werd 10 min gesoniciteerd en daarna gereduceerd met 50 mL 0,1 M NaBH₄ onder sonicatie gedurende 15 min om disulfide-dimeren te breken. Geschoonde AuNRs werden gemengd met de SH-PEG oplossing (10 mL) en 5 min geroerd, daarna 5 u achtergelaten. Het eindproduct werd gezuiverd door centrifugatie en wassen met water.

Karakteriseringsmethoden

Morfologie werd onderzocht met SEM (JEOL JSM-7001F) en TEM (JEOL 2100F, 200 kV). UV-vis spectren werden vastgelegd met een Shimadzu 3100 spectrophotometer. Photoacoustische signalen werden gemeten met een rotatie-scannend PA-systeem uitgerust met een Surelite I-20 laser, Surelite OPO Plus, Olympus PMUT V310-SU transducer, en data-verzamelingshardware.

Cellevensvatbaarheid Experimenten

Alle procedures ontvingen IACUC-goedkeuring aan Taiyuan University of Technology. HeLa-cellen werden geïncubeerd met AuNRs (0,25–1,0 nM) gedurende 24 u, en levensvatbaarheid werd beoordeeld via de MTT-assay en optische microscopie.

In Vitro en In Vivo PAI

Agar-fantomen (2 g agar in 100 mL water) werden bereid door verwarmen, roeren, en gieten in een 4,5 cm vorm. Een 0,9-mm glazen capillair gevuld met vers osbloed of bloed gemengd met AuTR-PEG (1 nM) werd ingevoegd om een vat na te bootsen. Het fantoom werd verlicht met 680-nm of 800-nm lasers (11 mJ cm⁻²). Voor dierimaging werden muizen geanesthetiseerd met isofluraan en chloraalhydraat, haar verwijderd, en een ultrasonisch koppelingsmiddel toegepast. Na intraveneuze injectie van 1 nM AuTR-PEG, werden cerebrale vaten geïmageerd bij 800 nm en 680 nm. Een tweede injectie werd 24 u later uitgevoerd voor de alternatieve golflengte.

Resultaten en Discussies

Hoog-resolutie TEM bevestigde uniforme AuTRs met diameters van 22 ± 1,5 nm en lengtes van 290 ± 13 nm (aspectverhouding ≈13,2). HRTEM onthulde (110) roosterfranjes (1,44 Å), wat groei langs de [110] richting aangeeft.

UV-vis spectren toonden twee pieken: een transversale piek bij ~520 nm en een longitudinale piek die rood-verschoof van ~680 nm tot 1100 nm naarmate de aspectverhouding toenam van 8,5 tot 15,6, wat matcht met het biologische NIR-venster. SH-PEG functionalisatie veroorzaakte een kleine (~5 %) reductie in piekintensiteit zonder de positie te verschuiven.

In vitro PA-experimenten toonden lineaire signaalaafhankelijkheid van AuTR-concentratie. Bij 800-nm excitatie produceerden AuTRs een 2,3-voudige PA-signaaltoename versus bloed alleen; Au staaf 1 (aspectverhouding 8,5) leverde een 2,1-voudige toename bij 680 nm. Multi-golflengte PA-spectra matched de optische absorptie, wat de correlatie tussen SPR en PA-prestaties bevestigt.

MTT-assays onthulden dat AuTR-PEG >95 % cellevensvatbaarheid behield bij 1 nM, terwijl ongemodificeerde AuTR de levensvatbaarheid tot 71 % reduceerde bij dezelfde concentratie, wat het beschermende effect van PEGylatie aangeeft.

In vivo imaging toonde aan dat AuTR-PEG (800 nm) en Au staaf 1-PEG (680 nm) de vat-contrast significant verbeterden: de AuTR-PEG/800 nm groep bereikte een 3,1-voudige contrasttoename en een 5,6-voudige SNR-boost ten opzichte van controles. De Au staaf 1-PEG/680 nm groep bereikte 3,6-voudige contrast en 5,7-voudige SNR-verbetering.

Conclusies

We hebben een schaalbare, zaad-gemedieerde synthese ontwikkeld die goudnanostaven produceert met aspectverhoudingen van 8,5 tot 15,6, wat instelbare longitudinale SPR van 680 tot 1100 nm oplevert. SH-PEG functionalisatie verleent uitstekende biocompatibiliteit en stabiliteit, wat robuuste NIR photoacoustische contrast mogelijk maakt. In vitro en in vivo resultaten bevestigen superieure contrast en SNR in PAI, wat deze nanostaven valideert als veelzijdige agentia voor imaging over het eerste NIR-venster, met potentiële toepassingen in cerebrovasculaire ziekte diagnostiek.

Afkortingen

1D

Eendimensionaal

AA

L(+)-ascorbijnzuur

AuNR

Au nanostaaf

AuTR

Au typische nanostaven

CTAB

Cetyl trimethylammonium bromide

DNA

Desoxyribonucleïnezuur

MTT

Methyl thiazolyl tetrazolium

NIR

Nabij-infrarood

NRs

Nanostaven

OPO

Optische parametrische oscillator

PA

Photoacoustisch

PAI

Photoacoustische imaging

SAED

Geselecteerd gebied elektronen-diffractie

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

SH-PEG

Thiol-polyethyleenglycol

SNR

Signaal-ruis-verhouding

SPR

Oppervlakte-plasmon-resonantie

TEM

Transmissie elektronenmicroscopie