Seed-Mediated Synthese van afstembare Aspect-Ratio gouden nanostaafjes voor Near-Infrared Photoacoustic Imaging

Resultaten en discussies

Typische morfologie en structuur van AuTR zijn systemisch besproken door TEM (Fig. 1). Zoals getoond in Fig. 1a, is de gesynthetiseerde AuTR (dosering van AA was 25 L) homogeen van vorm, met een diameter van 22 ± 1,5 nm, een lengte van 290 ± 13 nm en een aspectverhouding van ongeveer 13,2. Afbeelding 1b toont een TEM-afbeelding met hoge vergroting van een representatieve AuTR. Een TEM-beeld (HRTEM) met hoge resolutie van het eindgebied van een enkele nanostaaf ("1" rechthoekig gebied in Fig. 1b) wordt getoond in Fig. 1c. Het resultaat hiervan laat zien dat roosterranden loodrecht op de lange as van de nanostaaf kunnen worden onderscheiden met d-afstanden van 1,44 Å, overeenkomend met het (110) roostervlak. De nanostaaf groeit in de richting [110], zoals bepaald door de kubische structuur van Au, uit de analyse van het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) en het HRTEM-beeld [16, 17]. De UV-vis absorptiespectra van AuTR in figuur 1d tonen twee absorptiepieken, de karakteristieke piek bij ongeveer 520 nm en longitudinale piek bij ongeveer 900 nm. Wanneer gefunctionaliseerd met HS-PEG (de rode lijn), vertoont de absorptieband een lichte afname (ongeveer 5%) op pieksterkte, maar geen duidelijke verschuiving op piekpositie.

Typische morfologie en structuur van Au nanorod gesynthetiseerd bij 25 μL 0,1 M AA (AuTR):a Helderveld TEM-afbeelding. b Amplificatie TEM-beeld, van een enkele staaf. c HRTEM-afbeelding van een enkele staaf in rechthoekig gebied "1" van paneel b . d UV-vis absorptiespectra van AuTR en AuTR-PEG

Het is bekend dat de kinetische controle van de monomeerconcentratie en de kristalgroeisnelheid de sleutelfactoren zijn om de deeltjesgrootte te manipuleren, evenals de materiaalvorm die wordt geïnitieerd door de anisotrope groei [24, 25]. In dit werk werden dus concentratieafhankelijke experimenten uitgevoerd om de invloed van AA op de anisotrope groei van Au NR's te onderzoeken. Wanneer het gebruik van AA 35 μL (0,1 M) is, is de beeldverhouding van de gesynthetiseerde AuNR's ongeveer 8,5 ± 0,6 (Fig. 2a, ongeveer 50 individuele AuNR's werden willekeurig geselecteerd voor de wiskundige statistieken van de beeldverhouding). Door de dosering van AA te verlagen van 35 naar 15 μL, neemt de beeldverhouding van de AuNR's toe van 8,5 tot 15,6 (Fig. 2a-d). Over het algemeen wordt AA vaak gebruikt als reductiemiddel om lichtgele Au ³⁺ . te verminderen tot Au ⁺ en kon de vorming van Au ⁰ . niet induceren nanodeeltjes [26, 27]. In ons experiment varieert de beeldverhouding van de gesynthetiseerde AuNR's echter met de concentratie van AA. Er wordt vermoed dat AA niet alleen werkt als een reductiemiddel, maar ook de rol van capping-middel speelt om de anisotrope groei van AuNR's in ons experiment te helpen reguleren [28,29,30]. Met het verminderen van de AA-concentratie in het reactiesysteem, Au ⁺ ionen zijn gebonden om hun afgifte te versnellen en de snelle groei langs de lengteas van Au nanorod te induceren (figuur 2e). Figuur 2f toont de UV-vis-absorptiespectra van alle monsters. Wanneer de beeldverhouding toeneemt van 8,5 tot 15,6, verschuift de sterke longitudinale SPR-absorptieband van de AuNR's rood van ~ -680 naar 1100 nm, wat een breed NIR-bereik bestrijkt (Fig. 2f), wat wijst op hun grote potentieel voor biomedische toepassingen [31, 32 ].

Morfologie en aspectverhoudingstatistieken van AuNR's met verschillende AA-doseringen:a–d SEM en histogram, a Rod1, b Rod2, c Rod3 en d Staaf4. e Het lijndiagram van de AA-dosering die overeenkomt met de beeldverhouding. v De UV-vis absorptiespectra van verschillende AuNR's

In vitro foto-akoestische eigenschappen van AuNR's zijn weergegeven in Fig. 3. De foto-akoestische (PA) amplitudes van AuNR's gefunctionaliseerd met HS-PEG werden bepaald bij een reeks concentraties van de optische componenten van 0,25 tot 1,0 nM (Fig. 3a), die vertoonde goede lineaire relaties. AuTR biedt een grote verbetering van het PA-signaal dat wordt uitgestraald door 800 nm laser en Au rod1 bij 680 nm. Wanneer de lasergolflengte onvoldoende werd aangepast (bijvoorbeeld AuTR bij 680 nm en Au rod1 bij 800 nm), werd de intensiteit van het PA-signaal sterk verzwakt. Figuur 3b toont de PA-beelden van glazen haarvaten die voldoen aan vers ossenbloed, of bloedbalans gemengd met 1 nM AuTR en Au rod1. De resultaten hiervan geven aan dat b3 (AuTR bij 800 nm) en b7 (Au rod1 bij 680 nm) een beter beeldvormingseffect hebben. Blijkbaar zou een geschikt contrastmiddel een sterkere absorptie in PAI kunnen bieden, wat resulteert in een hogere resolutie van PA-beelden. Figuur 3c, d, toont de kwantitatieve vergelijkingen van fotoakoestische signalen tussen zuiver bloed en bloed gemengd met AuTR en rod1. De resultaten hiervan laten zien dat de fotoakoestische signaalamplitude van bloed gemengd met AuTR 2,3 keer hoger is dan zuiver vers ossenbloed bij 800 nm, en de Au rod1-groep 2,1 keer hoger is bij 680 nm. De grote verbeteringen verschijnen op de posities van hun longitudinale absorptiepieken. Met andere woorden, het absorptiegedrag van de AuNR's domineert hun PAI-prestaties.

In vitro fotoakoestische eigenschappen van AuTR en AuNR's:a concentratieafhankelijke fotoakoestische signaalintensiteit van AuTR en Au rod1 bestraald met respectievelijk 800- en 680 nm laser, b PAI van glascapillair met bloedbalans gemengd met 1 nM AuTR of Au rod1 bestraald met 800- en 680-nm laser, c , d de vergelijking van de fotoakoestische signaalamplitude tussen zuiver bloed en bloedbalans gemengd met 1 nM AuTR of Au rod1 bestraald met 800- en 680-nm laser, e1 –e6 vergelijking van absorptiespectra (ononderbroken lijn) van vijf soorten gesynthetiseerde AuNR's en vers ossenbloed verkregen uit amplitude van fotoakoestische signalen met meerdere golflengten (gegevenspunten)

De foto-akoestische en optische spectra van vijf soorten AuNR's en bloed worden getoond in Fig. 3e1-e6. De multi-golflengte fotoakoestische signaalspectra werden verkregen door het verzamelen van amplitudes van fotoakoestische signalen bij verschillende golflengten (van 680 tot 900 nm) lasers, waarbij 1 nM waterige oplossing werd vervuld in glazen capillaire buizen. Het is duidelijk dat de grafieken wijzen op een goede overeenkomst tussen de fotoakoestische signaalspectra en de optische spectra van de AuNR's. Deze resultaten geven duidelijk de haalbaarheid aan van het toepassen van AuNR's in PAI onder geschikte golflengtelasers en geven kwantitatief het foto-akoestische effect van AuNR's bij verschillende golflengten van 680 tot 900 nm.

Om de biotoxiciteit van AuNR bij actieve targeting te onderzoeken, werden Hela-cellen geïncubeerd met AuTR met concentraties van 0, 25-1, 0 nM. De standaard MTT-assay werd uitgevoerd om de levensvatbaarheid van de cellen te bepalen (figuur 4a). De resultaten hiervan bevestigen dat de combinatie van AuTR-PEG de grootste celoverleving induceert (95,3% bij 1 nM), vergeleken met andere groepen binnen 24 uur. Het suggereert dat AuNR-PEG een lage celcytotoxiciteit en goede biocompatibiliteit heeft [33, 34] en misschien een veelbelovend fotoakoestisch contrastmiddel. Hoewel de pure AuTR geen significante toxiciteit had (de levensvatbaarheid van de cellen kan 71,2% bereiken bij 1 nM), verscheen de celdood bij de concentraties van 0,75 en 1,0 nM (Fig. 4b), wat aangeeft dat een lage concentratie AuTR meer geschikt is voor fotoakoestische beeldvorming, terwijl een hoge concentratie celdood zou kunnen induceren [35, 36]. Om rekening te houden met zowel de fotoakoestische verbeterde werkzaamheid als de biotoxiciteit van AuNR's, werd daarom de concentratie van 1 nM gekozen als de geschikte voorwaarde voor in vivo PAI.

Relatieve levensvatbaarheid van Hela-cellen na geïncubeerd te zijn met verschillende concentraties AuTR met en zonder PEG gemodificeerd binnen 24 h:a histogram van relatieve cellevensvatbaarheid en b optische microscopiebeelden van Hela-cellen

Fotoakoestische beeldvorming is een niet-invasieve beeldvormingsmodaliteit die een grotere in vivo beelddiepte en ruimtelijke resolutie biedt in vergelijking met andere traditionele optische beeldvormingsmethoden [37,38,39,40]. We ontdekten dat AuNR-PEG met een hoge NIR-absorptie kan worden gebruikt als een geweldig contrastmiddel bij fotoakoestische beeldvorming (figuur 5). Figuur 5a toont de foto van de hersenbloedvaten van een muis die is geselecteerd als het in vivo PAI-monster. Figuur 5b1-b6 toont de foto-akoestische beelden van de bloedvaten van muizenhersenen voor het monster met en zonder AuNR-PEG-additieven, bij respectievelijk 800- en 680-nm golflengtelasers. De resultaten laten zien dat vóór de AuNR-PEG-injectie er slechts ruwweg vormen van het hoofdbloedvat in de hersenen zijn in de PA-beelden van de controlegroep (Fig. 5b1, b4), en dat sommige vertakte vaten op de achtergrond vermengd zijn en moeilijk te onderscheiden zijn , ongeacht welke lasergolflengte wordt gebruikt. Toen het contrastmiddel (AuTR-PEG en Au rod1-PEG) werd geïnjecteerd, is de kwaliteit van de PA-afbeeldingen sterk verbeterd, en sommige verdwenen fijne vertakte vaten van de hersenen (in de controlegroep) komen duidelijk naar voren, vooral de afbeeldingen van AuTR-PEG vastgelegd op 800 nm en Au rod1-PEG op 680 nm.

Foto- en PA-beelden van bloedvaten in de hersenen van muizen:a foto van muis cerebrovasculair, b PA-beeldenschema van de cerebrale bloedvaten van de muis voor en na intraveneuze injectie van AuTR of Au rod1, bestraald met een laser met een golflengte van 800 en 680 nm

Foto-akoestische afbeeldingen van Fig. 5b1-b6 werden ook kwantitatief geanalyseerd (Tabel 1) van aspecten van contrast en signaal-ruisverhouding (SNR). Het gemiddelde contrast van het hele beeld dat overeenkomt met elke pixel werd berekend op basis van tien punten, die willekeurig werden geselecteerd op dezelfde positie van de bloedvaten van muizenhersenen. Het gemiddelde contrast van de afbeeldingen van de controlegroep is 1,113 in figuur 5b1 en 1,076 in figuur 5b4. Nadat ze zijn geïnjecteerd met AuNR-PEG, wordt de kwaliteit van alle afbeeldingen in verschillende mate verbeterd. In de AuTR/800 nm-groep is de aorta duidelijk te zien (Fig. 5b2), en het gemiddelde contrast kan oplopen tot 3.451, 3,1 keer voor de controlegroep. In een parallelle vergelijking met de Au rod1/800 nm-groep (Fig. 5b3), is het gemiddelde contrast slechts 1.514, 1.36 keer ten opzichte van de controlegroep. Toen de golflengte van de laser echter veranderde in 680 nm, was het contrast van AuTR slechts 1,925, veel lager dan dat van Au rod1 (3,692, 3,6 keer ten opzichte van de controlegroep). De SNR van foto's in de AuTR-groep is 5,6 keer geoptimaliseerd bij 800 nm naar de controlegroep, en de Au rod1-groep is ook 5,7 keer verbeterd bij 680 nm. Deze resultaten komen in principe overeen met die in vitro, dat wil zeggen dat de grote verbeteringen in beeldkwaliteit kunnen worden toegeschreven aan hun respectieve grote longitudinale absorptiepieken.