Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

נוסחה ואפנון אקוסטי של ננו-טיפות פרפלואורוקרבון שעברו אידוי אופטי

Published: July 16, 2021 doi: 10.3791/62814
Automatic Translation
1, 2, 1,3
1Department of Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology and Emory University, 2School of Electrical Engineering, Georgia Institute of Technology, 3Department of Biomedical Engineering and School of Electrical Engineering, Georgia Institute of Technology and Emory University

Summary

ננו-טיפות פרפלואורוקרבון המופעלות אופטית מראות הבטחה ביישומי הדמיה מחוץ למערכת כלי הדם. מאמר זה ידגים כיצד לסנתז חלקיקים אלה, להצליב פנטום פוליאקרילאמיד ולווסת את הטיפות באופן אקוסטי כדי לשפר את האות שלהם.

Abstract

Microbubbles הם חומר ניגוד הדמיה הנפוץ ביותר באולטרסאונד. עם זאת, בשל גודלם, הם מוגבלים לתאי כלי הדם. מיקרו-בועות אלה יכולות להיות מרוכזות או מנוסחות כננו-טיפות פרפלואורוקרבון (PFCnDs) שהן קטנות מספיק כדי לחדור ואז להיות מופעלות אקוסטית באתר היעד. ניתן לשפר עוד יותר ננו-חלקיקים אלה על-ידי הכללת בולם אופטי כגון צבע אורגני אינפרה-אדום קרוב או ננו-חלקיקים (לדוגמה, ננו-חלקיקי נחושת גופרתית או ננו-חלקיקי זהב/ננו-רודים). ניתן לאדות PFCnDs המתויגים אופטית באמצעות הקרנת לייזר בתהליך המכונה אידוי טיפות אופטיות (ODV). תהליך הפעלה זה מאפשר שימוש בליבות פרפלואורוקרבון בנקודת רתיחה גבוהה, שלא ניתן לאדות אותן אקוסטית מתחת לסף האינדקס המכני המרבי להדמיית אבחון. ליבות גבוהות יותר של נקודות רתיחה גורמות לטיפות שיתעבו מחדש לאחר אידוי, וכתוצאה מכך "מהבהבות" PFCnDs שמייצרות ניגודיות לזמן קצר לאחר אידוי לפני שהן מתעבות בחזרה לצורת ננו-טיפות. ניתן לחזור על תהליך זה כדי לייצר ניגודיות לפי דרישה, מה שמאפשר הדמיה ללא רקע, ריבוי, רזולוציית-על ושיפור ניגודיות באמצעות אפנון אופטי ואקוסטי כאחד. מאמר זה ידגים כיצד לסנתז PFCnDs של מעטפת ליפידים הניתנים להפעלה אופטית תוך שימוש בסוניקציה של בדיקה, ליצור פנטומים פוליאקרילאמיד כדי לאפיין את הננו-טיפות, ולווסת אקוסטית את ה-PFCnDs לאחר ODV כדי לשפר את הניגודיות.

Introduction

מיקרו-שבבים הם חומר הניגוד האולטרסאונד הנפוץ ביותר בשל תאימותם הביולוגית והאקוגניות המצוינת שלהם בהשוואה לרקמות רכות. זה הופך אותם לכלים חשובים להדמיית זרימת הדם, תיחום איברים ויישומים אחרים1. עם זאת, גודלם (1-10 מיקרומטר), מה שהופך אותם יוצאי דופן להדמיה בהתבסס על תדירות התהודה שלהם, מגביל את היישומים שלהם לכלי הדם2.

מגבלה זו הובילה לפיתוח PFCnDs, שהם ננו-אמולסיות המורכבות מחומר פעילי שטח העטופים סביב ליבת פרפלואורוקרבון נוזלית. ננו-חלקיקים אלה יכולים להיות מסונתזים בגדלים של עד 200 ננומטר והם מתוכננים לנצל את כלי הדם או הנקבוביות "דולפים" ואת הפנסטרציות הפתוחות הנמצאות בכלי הדם של הגידול. בעוד ששיבושים אלה תלויים בגידול, חדירות זו מאפשרת אקסטרווזיה של ננו-חלקיקים מ~200 ננומטר - 1.2 מיקרומטר בהתאם לגידול 3,4. בצורתם הראשונית, חלקיקים אלה מייצרים ניגודיות אולטרסאונד מועטה עד אפסית. עם אידוי - המושרה אקוסטית או אופטית - פאזת הליבה משתנה מנוזל לגז, מה שגורם לעלייה של פי שניים וחצי עד פי חמישה בקוטר 5,6,7 ויוצר ניגודיות פוטואקוסטית ואולטרסאונד. בעוד אידוי אקוסטי הוא שיטת ההפעלה הנפוצה ביותר, גישה זו יוצרת ממצאים אקוסטיים המגבילים את הדמיית האידוי. בנוסף, רוב הפרפלואורוקרבונים דורשים אולטרסאונד ממוקד עם אינדקס מכני מעבר לסף הבטיחות כדי לאדות8. זה הוביל לפיתוח של PFCnDs נקודת רתיחה נמוכה יותר, אשר ניתן לסנתז על ידי עיבוי microbubbles לתוך ננוטיפות9. עם זאת, טיפות אלה הן תנודתיות יותר וכפופות לאידוי ספונטני10.

אידוי טיפות אופטי (ODV), לעומת זאת, דורש תוספת של הדק אופטי כגון ננו-חלקיקים 11,12,13 או צבע 6,14,15 ויכול לאדות פרפלואורוקרבונים גבוהים יותר של נקודת רתיחה באמצעות פלואנציות בתוך מגבלת הבטיחות של ANSI 11. PFCnDs מסונתזים עם ליבות נקודת רתיחה גבוהות יותר הם יציבים יותר ויתעבו מחדש לאחר אידוי, מה שמאפשר הדמיה ללא רקע16, ריבוב 17 וסופר-רזולוציה18. אחת המגבלות העיקריות של טכניקות אלה היא העובדה כי PFCnDs נקודת רתיחה גבוהה הם אקוגניים לאחר אידוי למשך פרק זמן קצר בלבד, בקנה מידה שלאלפיות השנייה 19, והם קלושים יחסית. בעוד שניתן למתן בעיה זו באמצעות אידויים חוזרים ונשנים וממוצע, זיהוי והפרדה של אות טיפה נותר אתגר.

בהשראת היפוך הדופק, ניתן לשפר את משך הזמן והניגודיות על ידי שינוי השלב של דופק הדמיית האולטרסאונד19. על ידי הפעלת פולס הדמיית האולטרסאונד עם פאזה נדירה (n-pulse), הן משך הזמן והן הניגודיות של PFCnDs התאדה גדלים. לעומת זאת, הפעלת פולס הדמיית האולטרסאונד בשלב דחיסה (p-pulse), מביאה לניגודיות מופחתת ולקיצור משך הזמן. מאמר זה יתאר כיצד לסנתז ננו-טיפות פרפלואורוקרבון הניתנות להפעלה אופטית, פנטום פוליאקרילאמיד הנפוץ בהדמיה, ולהדגים שיפור ניגודיות ואורך חיים משופר של האות באמצעות אפנון אקוסטי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. נוסחת ננו-טיפות פרפלואורוקרבון

  1. יש לשטוף בקבוקון בעל תחתית עגולה של 10 מ"ל עם כלורופורם ולשטוף מזרק זכוכית אטום לגז 10 מיקרון ו-1 מ"ל עם כלורופורם על ידי שאיפה חוזרת ונשנית של נפח המזרק המלא וגירושו בסך הכל שלוש פעמים.
    אזהרה: כלורופורם הוא נדיף ועלול להיות רעיל בשאיפה. כל עבודה עם ממס זה צריך להתבצע במכסה אדים.
  2. באמצעות המזרקים, יש להוסיף 200 μL של DSPE-mPEG2000 (25 מ"ג/מ"ל), 6.3 μL של 1,2-דיסטרויל-sn-גליצרו-3-פוספוכולין (DSPC, 25 מ"ג/מ"ל) ו-1 מ"ל של IR 1048 (1 מ"ג/מ"ל בכלורופורם) לתוך הבקבוקון בעל התחתית העגולה. זכרו לנקות את המזרקים בין השומנים/צבע כדי למנוע זיהום של המלאי.
    הערה: צבעי אינפרא אדום רגישים לאור, ויש לבצע את העבודה בתנאים עמומים או שיש לכסות צלוחיות בנייר אלומיניום.
  3. הסר את הממס באמצעות מאייד סיבובי. ודא כי השואב מותאם באיטיות ל -332 mbar כדי למנוע חבטות. לאחר 5 דקות, להפחית את הלחץ ל 42 mbar כדי להסיר את כל המים שאולי נכנסו לתמיסה.
    הערה: ניתן לאחסן את עוגת השומנים למשך הלילה בבקבוקון תחתון עגול מכוסה בפרפילם בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס.
  4. משהים את עוגת השומנים ב-1 מ"ל של תמיסת מלח חצובה בפוספט (PBS) וסוניקט או מערבולת בטמפרטורת החדר למשך 5 דקות או עד שכל עוגת השומנים מרחפת ומתמוססת בתמיסה. Sonicate במשך 2 דקות נוספות כדי הומוגניזציה של הפתרון.
  5. מעבירים את התמיסה לבקבוקון זכוכית של 7 מ"ל ומניחים את הבקבוקון בכלי זכוכית מלא בקרח כדי לאפשר לתמיסה להתקרר למשך 5 דקות לפני הוספת 50 מיקרוגרם של פרפלואורוהקסאן באמצעות מזרק זכוכית אטום לגז. זכור לשטוף את המזרק עם perfluorohexane לפני חלוקתו לתוך הבקבוקון.
  6. הניחו את בקבוקון הזכוכית המכיל את השומנים ואמבט הקרח במארז הבדיקה והטביעו את קצה הבדיקה מתחת למיניסקוס. ודא כי הצדדים של בדיקה sonicator לא לגעת בשפה של בקבוקון זכוכית.
  7. בדיקה sonicate את התערובת עם ההגדרות הבאות: משרעת 1, זמן תהליך: 20 שניות, Pulse-On: 1s, Pulse-off: 5s. לאחר מכן סוניקט בהגדרות הבאות: משרעת: 50, זמן תהליך: 5 שניות, הפעלה: 1 שניות, כיבוי דופק: 10 שניות.
  8. העבר את תמיסת הננו-טיפות לצינור צנטריפוגה של 1.5 מ"ל ולצנטריפוגה בגודל 300 x g למשך 3 דקות כדי להפריד בין הטיפות הגדולות יותר (>1 מיקרומטר) לבין הטיפות הקטנות יותר.
  9. השליכו את הכדור והעבירו את הסופרנטנט לצינור צנטריפוגה אחר של 1.5 מ"ל. שטפו את הסופר-נטנט על ידי צנטריפוגה בגודל 3000 x גרם למשך 5 דקות כדי לזרוק את כל הטיפות בתמיסה. יש להשעות את ה-PFCnDs ב-1 מ"ל של PBS על ידי העברת הכדור למעלה ולמטה ולאחר מכן לנתק את הכדור בסוניק אמבטיה למשך דקה אחת.
  10. מדוד את גודל הטיפות באמצעות פיזור אור דינמי (DLS). יש לדלל את ה-PFCnDs של המניה פי 100 (10 μL של מלאי PFCnD ב-990 μL של PBS) ולסוניק אמבטיה כדי לפזר את ה-PFCnDs לפני המדידה. תוצאות מייצגות מוצגות באיור 1.
  11. קבע את ריכוז ה-PFCnDs באמצעות מנתח המעקב אחר ננו-חלקיקים (ראו טבלת חומרים). דלל את PFCnDs פי 100-1000 כדי להבטיח מדידה מדויקת של הריכוז. הפרוטוקול מניב בדרך כלל טיפות בריכוז בסדר גודל של 1010 חלקיקים למ"ל.
  12. הכן 10 מ"ל של ג'ל צימוד אולטרסאונד בצינור צנטריפוגה של 50 מ"ל והוסף 1% (v/v) או 100 μL של PFCnDs כדי ליצור תמיסה של ~ 108 חלקיקים / מ"ל. מערבולת את הפתרון לערבב. צנטריפוגה את התערובת ב 4000 x גרם במשך 3 דקות כדי להסיר בועות.

2. הכנת פנטום פוליאקרילאמיד

  1. מי דגה על ידי מילוי בקבוק ואקום של 500 מ"ל ב-400 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה, אוטמים בפקק גומי ומחברים את הבקבוקון לקו הוואקום. פתחו את קו הוואקום וטבלו את תחתית הבקבוקון בסוניק האמבטיה. סוניקט במשך 5 דקות או עד שלא נראית היווצרות בועת גז.
  2. הכינו תמיסת אמוניום פרסולפט (APS) של 10% על ידי המסת 500 מ"ג ב-5 מ"ל של מים נטולי גז. מערבבים בעדינות את התמיסה אם האמוניום פרסולפט אינו מתמוסס במלואו.
  3. בכוס של 400 מ"ל עם מוט ערבוב על צלחת ערבוב, הוסיפו 150 מ"ל של מים ללא גזים ו-50 מ"ל של תמיסת אקרילאמיד-ביסקרילאמיד של 40% (w/v) כדי ליצור 200 מ"ל של תמיסת אקרילאמיד-ביסקרילאמיד של 10%. ערבבו את התערובת ב-200 סל"ד כדי לאפשר ערבוב נכון מבלי ליצור בועות.
    אזהרה: אקרילאמיד הוא מסרטן, וכל העבודה צריכה להיעשות במכסה אדים עם כפפות, במיוחד אם עובדים עם אקרילאמיד בצורת אבקה.
  4. שקלו 400 מ"ג סיליקה והוסיפו אותה לתמיסת 10% אקרילאמיד-ביסקרילאמיד משלב 2.3 כדי ליצור 0.2% (w/v) של תמיסת סיליקה ואקרילאמיד.
    אזהרה: סיליקה בשאיפה עלולה להיות מסרטנת. כל העבודה כולל שקילה צריכה להתבצע במכסה אדים.
  5. הכינו תבנית מרובעת בגודל 58 מ"מ x 58 מ"מ x 78 מ"מ עם הכללה גלילית על ידי חיתוך קצות פיפטה להעברת פלסטיק ותמיכה בה בתבנית עם סרט מעבדה. ראו איור 2.
  6. הוסף 2 מ"ל של תמיסת APS של 10% לכוס כדי ליצור ריכוז סופי של 0.1% APS והוסף 250 μL של טטרה-מתילאתילנדיאמין (TEMED) לתמיסת הפנטום. אפשרו לתמיסה לערבב לזמן קצר (פחות מדקה).
  7. במהירות לשפוך את הפתרון לתוך התבנית, תוך הקפדה לא להכניס בועות אוויר לתוך הפתרון. הפתרון צריך להתפלמר תוך 10 דקות. הסר את הפנטום על ידי הפעלת הקצה השטוח של מרית מעבדה סביב קצה התבנית והיפוך התבנית.
    הערה: ניתן לעשות שימוש חוזר בפנטומים אלה מספר פעמים ויש לטבול אותם במים ולאחסן אותם בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס.

3. הדמיית ננו-טיפות פרפלואורוקרבון

  1. הפעל וחמם את מערכת הלייזר הפועמת למשך ~ 20 דקות בהתאם להוראות היצרן. ודא כי צרור הסיבים האופטיים מחובר כראוי ליציאת הלייזר ושתי הרגליים ממוקמות כראוי בתוך מחזיק צרור הסיבים.
  2. הפעל את מערכת הדמיית האולטרסאונד, חבר את מתמר הדמיית המערך (L11-4v) למערכת ותקן את המתמר בתוך המחזיק כדי ליישר את מישור ההדמיה שלו עם חתך לייזר.
  3. הגדר את תדירות חזרות הדופק של מערכת הלייזר ל-10 הרץ והצב מד הספק בקצה צרור הסיבים כדי למדוד אנרגיה. כוונן את השהיית מתג q עד שהשטף המשוער הוא 70 mJ/cm2.
    התראה: יש ללבוש משקפיים מתאימים בעת הפעלת הלייזר ווילונות לייזר חייבים להקיף את החלל.
  4. מלאו בחזרה את אחד הערוצים בפנטום הפוליאקרילאמיד בתערובת ג'ל אולטרסאונד/PFCnD באמצעות מזרק קצה פלסטיק של 1 מ"ל. מכסים בנדיבות את החלק העליון של הערוץ בג'ל אולטרסאונד ומסירים את כל הבועות עם מזרק קצה פלסטיק של 1 מ"ל. הניחו את פנטום הפוליאקרילאמיד מתחת למתמר ולצרור הסיבים, כפי שמוצג באיור 3.
  5. השתמש בפלטפורמת ההדמיה המשולבת של אולטרסאונד לייזר וגמישות (CLUE) המבוססת על התוכנה20 כדי לצלם PFCnD המסונכרן עם הפעלה אופטית. שנה את הפרמטרים הכלליים המוגדרים על-ידי המשתמש במבנה Param לצורך הדמיה: הגדר עומק התחלה/סיום ל-0/40 מ"מ, תדר מרכז ל-6.9MHz ושם מתמר ל-'L11-4v'.
  6. הגדר RunCase חדש ותכנן רצף מודולים להפעלה/עיבוי אופטי חוזר והדמיית US של PFHnDs. זה נעשה על ידי רישום מודולים מוגדרים מראש כגון הדמיה מהירה במיוחד (mUF), לייזר חיצוני (mExtLaser) ו- idle (mIdle).
    1. חזור על ערכת הרצף mExtLaser-mIdle-mUF-mExtLaser-mUF פעמיים כדי לקבל נתוני הדמיה של n-פולס ו-p-pulse.
      הערה: מודול mExtLaser הראשון בכל רצף מוגדר כלייזר בושה על ידי הגדרת ExtLaser.Enable to 0 וה- 'mIdle' כלול כדי למזער את הזמן בין תמונות ארה"ב ברקע לבין תמונות n/p-pulse US לאחר הפעלת הלייזר.
  7. הגדר פרמטרים של מודול עבור כל מודול הממוקם ברצף המודולים של מקרה ההפעלה הנוכחי. גש לכל פרמטר מודול לפי אינדקס המתאים לסדר שלו ברצף המודולים. מודולים יבצעו פעולות מוגדרות מראש עם פרמטרים מודול מוגדר המשתמש כאן.
    1. הגדר את ExtLaser.QSdelay במודולי לייזר חיצוניים לערך של השהיית מתג Q לייזר המכוונת בשלב 3.3, במיקרו-שניות. מודול זה ממתין ליציאת ההדק של פנס ההבזק של מערכת הלייזר ומייצר הדק Q-switch לאחר ההשהיה שצוין ב - QSdelay.
    2. במודול הדמיה מהיר במיוחד, הגדר את Resource.numFrame ל- 100, הגדר את SeqControl.PRI ל- 200 (μs), והגדר את TW.polarity ל- 1 עבור P-pulse ו- -1 עבור N-pulse (ראה איור 4 עבור צורת הפולס המתאימה). מודול זה ישדר גל מישורי מהיר במיוחד של 0 מעלות עם סוג פולס שצוין ב- TW.polarity.
      1. השג חלון הדמיית צמצם מלא ברוחב 38.8 מ"מ עבור מספר המסגרות ב - Resource.numFrame, מרווח החזרה על הדופק של SeqControl.PRI, ולאחר מכן שמור נתונים לעיבוד לא מקוון.
    3. הגדר SeqControl.lastPRI_Module במודול סרק למשך הזמן שבין פולסי לייזר (100 אלפיות השנייה) שהופחת על-ידי השהיית מתג Q, זמן איסוף נתוני הדמיה (20 אלפיות השנייה) ומרווח של 20 מיקרו-שניות לתנועת האות. מודול זה שומר את המערכת במצב 'ללא פעולה' למשך הזמן SeqControl.lastPRI_Module כדי למלא את פער הזמן בין סוף איסוף נתוני ההדמיה לבין עירור פולס הלייזר הבא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ניסוח מוצלח והפרדה צנטריפוגלית של PFCnDs אמורים להניב טיפות בקוטר של 200-300 ננומטר (איור 1A). טיפות מופרדות בצורה לא נכונה עשויות להראות פסגות קטנות סביב 1 מיקרומטר. פתרונות אלה יכולים לעבור ניקוי נוסף כדי לפרק את הטיפות הגדולות יותר. גודל הטיפות יגדל עם הזמן עקב התלכדות ו/או דיפוזיה בתהליך המכונה הבשלת אוסטוולד21,22 (איור 1B).

אפנון אקוסטי של הטיפות על ידי מניפולציה של דופק ההדמיה שיפר את הניגודיות של PFCnDs מאודה. הדבר הודגם בתמונות PFCnD ששוחזרו על ידי חיסור מסגרות סמוכות של התמונות בצורת קרן, כך שרק האות המוחזר מ-PFCnD שהתאדה נראה לעין ואות רקע נייח מדוכא. הניגודיות מכמתת על ידי היחס בין האותות הממוצעים של אזור ההכללה המעגלי לבין אות הרקע הממוצע על פני אות הרקע הממוצע. אות הרקע מוגדר על ידי האותות משני ROIs מלבניים של הרקע הנמצאים באותו עומק ובאותו אזור שווה ערך לתכלולים. הניגוד מההכללה של פולס ה-N גדול בערך פי 3.2 (כלומר, שיפור של 220%) מאשר ה-P-pulse (איור 5).

דופק ההדמיה ההופכי גם האריך את תוחלת החיים של האות מאידוי PFCnD. זה כומת על ידי סף הפיקסלים באזור ההכללה המעגלי החורג מאות הרקע. אחוז הפיקסלים בהכללה שהיה מעל הסף הוגדר כאזור ההיפרכואי (%). כדי לבחון את ההתנהגות ההיפראקוגנית של PFCnDs לאורך זמן, השטח ההיפרכואי מחושב עבור כל מסגרת ומנורמל על ידי האזור ההיפרכואי של המסגרת הראשונה, ולאחר מכן מותאם למודל דעיכה מעריכית. פונקציה זו שימשה לקביעת זמן הדעיכה האופייני, המוגדר כטווח הזמן שלוקח לאזור ההיפרכואי לאחר הפעלת PFCnD לדעוך ל-10% בלבד מהשטח ההתחלתי (איור 6a). זמן הדעיכה האופייני של אזור היפרכואי מנורמל ארוך עד פי 3.5 בהדמיית N-pulse בהשוואה לדופק P. מסגרות תמונה דיפרנציאליות מייצגות במצב B בזמן עבור כל הדמיית N-pulse ו-P-pulse מוצגות באיור 6b.

Figure 1
איור 1: מדידות גודל DLS של PFCnDs ויציבות. (A) התפלגות עוצמת הגודל של טיפות בממוצע משלוש מדידות של טיפות לאחר סינתזה (PDI ממוצע: 0.132± 0.016; ממוצע Z: 259.3 ± 0.7 ננומטר). (B) התפלגות עוצמת הגודל של טיפות בממוצע משלוש מדידות שנלקחו 24 שעות לאחר הסינתזה (PDI ממוצע: 0.252± 0.061; ממוצע Z: 322.5 ± 4.5 ננומטר). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: תמונה וסכמטיות של תבנית פוליאקרילאמיד . (A) תמונה של התבנית העשויה מסרט מעבדה וממיכל הפלסטיק. (B) סכמטי עם מדידות של פנטום פוליאקרילאמיד לאחר הסרה מעובש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: שרטוט של העברת פולס לייזר והדמיית אולטרסאונד. (A) רכיבי המכלול מסומנים ויישור מישור ההדמיה של קרן לייזר / אולטרסאונד ביחס למיקום ההכללה מודגם. (B) תמונה המציגה את ההגדרה בפועל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: דופק הדמיה מדומה של אולטרסאונד. צורות הגל מדומות על ידי תוכנת מערכת הדמיית אולטרסאונד, שנדגמה על ידי 250 מגה-הרץ. צורת הגל של P-pulse ו-N-pulse נוצרת עם אותו תדר מרכזי ורוחב פולס, אך יש לה הפרש פאזה של 180°. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: מדידת ניגודיות. ערך הניגוד הממוצע של אזור ההכללה עבור N-pulse ו- P-pulse, קווי שגיאה מייצגים סטיית תקן (n = 3). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: עקומת דעיכה אופיינית של אזור היפרכואי ומאגים במצב B דיפרנציאלי מייצג . (A) אזור היפרכואי מנורמל המושרה על ידי הפעלת PFCnD לאורך זמן להדמיית N-פולס ו-P-pulse באותו חתך. הקו המקווקו מציין 10% מהשטח ההיפרכואי הראשוני. הזמן שבו העלילה המותאמת מצטלבת עם הקו המקווקו מייצג את זמן הדעיכה האופייני. (B) תמונות מציגות חלון ROI חתוך שבמרכזו ההכללה, המשורטט בקנה מידה של dB עם טווח דינמי של 35. השורה העליונה מציגה את התנהגות העיבוי מחדש בתמונה של פולס P והשורה התחתונה מציגה את N-pulse. הקו המקווקו בצבע צהוב מציין את אזור ההכללה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

נפח כולל של פנטום (mL) 50 100 250 500
מים DI (מ"ל) 37.5 74.9 187.4 375
40% תמיסת PA (מ"ל) 12.5 25.1 62.6 125
סיליקה (מ"ג) 100 200 500 1000
10% פתרון APS (μL) 500 1000 2500 5000
TEMED (μL) 62.5 125 312.5 625

טבלה 1: סיכום הריאגנטים והכמויות להצלבת פנטום פוליאקרילאמיד על בסיס נפח התבנית. טבלה זו מספקת סיכום ערכים תמציתי של הריאגנטים שבהם נעשה שימוש וכמויות המבוססות על מספר נפחי עובש נפוצים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

סוניקציה של בדיקה היא שיטה פשוטה יחסית וקלה ללמידה לייצור PFCnDs. ישנם כמה צעדים שבהם יש לנקוט בזהירות. כאשר מטפלים בכלורופורם, זה הכרחי כי פיפטה עקירה חיובית או מזרקי זכוכית משמש, כפי שהוא נדיף יהיה "לדלוף" מן פיפטות תזוזה אוויר סטנדרטי. יתר על כן, אם משתמשים בתזוזה חיובית, ודא כי קצה מתאים משמש כלורופורם ימיס את רוב קצוות הפלסטיק, אשר יכול להחדיר מזהמים לתוך התמיסה. פיפטה עקירה חיובית או מזרק זכוכית מומלץ גם עבור perfluorohexane, כפי שהוא גם נדיף צפוף יותר מאשר מים. בדרך כלל, ניתן להפחית את ההשפעות האישיות של תנודתיות וצפיפות גבוהה על ידי הרטבה מוקדמת בפיפטות תזוזת אוויר ושימוש בקנה מידה כדי להתאים את הנפח שנקבע על הפיפטה, בהתאמה. אבל במקרה של פרפלואורוהקסאן בעל שתי התכונות, התנודתיות תקשה על קבלת מדידות משקל מדויקות, מה שהופך מזרק פיפטה / זכוכית תזוזה חיובית לאפשרות הכדאית ביותר.

לפני בדיקה sonicating הפתרון, חשוב לדגור את השומנים ואת תמיסת perfluorocarbon באמבט קרח כדי לאפשר לו להתקרר כדי למנוע הרתחת perfluorocarbon במהלך סוניקציה. שלב זה יהיה חשוב במיוחד עבור perfluorocarbon רותח נמוך יותר כגון perfluoropentane. יתר על כן, יש לנקוט משנה זהירות בעת בדיקה של התמיסה. קצה הבדיקה של סוניקציה צריך להיות שקוע, אבל זה לא צריך ליצור מגע עם החלק התחתון או הצדדים של בקבוקון זכוכית כפי שהוא יכול לפגוע בקצה ולנפץ את הבקבוקון, לרוקן את תמיסת השומנים לתוך אמבט הקרח.

ניתן להתאים את פרוטוקול הייצור PFCnD בכמה דרכים קלות. אם מאייד סיבובי אינו זמין בשלב 1.3, ניתן לייבש את התמיסה בזרם קבוע של גז חנקן או להניח אותה בתא ואקום למשך הלילה כדי ליצור את עוגת השומנים. לגבי השומנים, נוסחה זו משתמשת ביחס של 9:1 של DSPE-PEG:DSPC בהשוואה ליחס הסטנדרטי של 1:9 של DSPE-PEG:DSPC, מכיוון שהיא גורמת לטיפות יציבות קטנות וגדולות יותר23. ניתן להתאים נוסחה זו כדי לאפשר הצמדה על פני השטח על ידי החלפת חלק קטן (~2 מול %) של DSPE-PEG ב- DSPE-PEG פונקציונלי עם המואטי הרצוי (למשל, ביוטין, תיול, אמין וכו ').

באופן כללי, סוניקטורים של גשושיות זמינים מסחרית, פשוטים יחסית לשימוש, וניתן להתאים אותם בקלות לפרפלואורוקרבונים אחרים של נקודות רתיחה גבוהות יותר ולפורמולציות של חומרים פעילי שטח, אך לא ניתן להשתמש בהם כדי לייצר טיפות עם ליבות פרפלואורוקרבון שהן גזיות בטמפרטורת החדר ללא שינויים משמעותיים. שינוי אחד כזה הוא שימוש בסוניקציה של גשושיות כדי ליצור מיקרו-בועות ולאחר מכן הפעלת לחץ והפחתת הטמפרטורה כדי לדחוס את המיקרו-בועות לטיפות24. בעוד ששיטה זו היא דרך חכמה ליצור טיפות הניתנות לאידוי אקוסטי, קשה לתמצת מספיק צבע בתוך המיקרו-שבבים כדי להבטיח ODV לאחר עיבוי. גישה חלופית היא להצמיד את הצבע (למשל, Cy7.5) לשומנים וליצור מיקרו-בועות שניתן לדחוס כלפי מטה לנקודת רתיחה נמוכה בעלת יכולת ODV PFCnDs25.

סוניקציית גשושית גם מייצרת ריכוז גבוה של ננו-טיפות (~1010 טיפות/מ"ל) בפרק זמן קצר יחסית. עם זאת, טכניקה זו מביאה להתפלגות גודל גדולה שתפחית את כמות הננו-טיפות שיזרמו. אמנם, ניתן לתקן זאת באמצעות סינון צנטריפוגלי או מסנני מזרק כדי להסיר טיפות גדולות יותר, אך ה- PFCnDs שיתקבל יפגין פולידיספרסיה גדולה יותר בהשוואה לטיפות המסונתזות באמצעות מיקרופלואידיקה או מסוננות באמצעות שחול26. חיסרון נוסף בבדיקת סוניקציה הוא שקצה הגשושית של הסוניקציה יהפוך בהכרח לגלגול מקוויטציה במהלך הסוניקציה ויהיה צורך להחליף אותו מעת לעת.

גישה חלופית ליצירת טיפות משתמשת בהתקנים מיקרופלואידיים שניתן להשתמש בהם כדי להתאים טיפות לגודל מסוים עם מדד פולי-פיזור נמוך (PDI). עם זאת, מכשירים אלה מייצרים טיפות בקצב איטי יחסית (~104-10 6 טיפות/שנייה)26, ובעוד שהיו מספר התפתחויות כגון תחליב שלב 27, הזרמת קצה במכשירי מיקוד זרימה28,29, וניצול אפקט האוזו עם מיקרומיקסר עצם הרינג30 - יצירת טיפות ננומטריות עדיין נשארת מאתגרת. יתר על כן, טכניקה זו אינה זמינה מסחרית, וייצור מכשירים אלה דורש מומחיות מיוחדת.

שיטות אחרות הזמינות מסחרית כוללות שחול והומוגניזציה. שחול משתמש בממברנות כדי להעביר טיפות, וכתוצאה מכך טיפות בגודל ננו עם טווח גודל צר יותר בהשוואה לסוניקציה. עם זאת, שיטה זו תלויה מאוד בניסוח ומאתגרת לשלב צבע או מטען טיפולי בתוך הטיפה26. הומוגניזציה בלחץ גבוה עושה שימוש בהומוגנייזרים זמינים מסחרית המשתמשים בלחץ גבוה ובלחץ גזירה כדי ליצור חלקיקי ליפידים חד-ממדיים, ננומטריים, באופן הניתן להרחבה31,32,33. שיטה זו הותאמה ליצירת טיפות עם נקודת רתיחה גבוהה ונמוכה perfluorocarbons32,34. סקירה משמעותית יותר של שיטות ניסוח טיפות ופרוטוקולים לדוגמה ניתן למצוא בסקירה הבאה26.

פנטומים הם כלי רב ערך לאפיון הביצועים של ננו-טיפות במבחנה. בפרוטוקול זה נעשה שימוש בפנטומים מבוססי פוליאקרילאמיד עם סיליקה. הבעיות השכיחות ביותר עם פנטום פוליאקרילאמיד קשורות לפילמור איטי או ללא פילמור. פילמור איטי, למרות שהוא פחות בעייתי, יכול להוביל להפצה הטרוגנית של פיזור משובץ. האשם הנפוץ ביותר בבעיה זו הוא השימוש בתמיסות ישנות של אמוניום פרסולפט המפחיתות את ייצור הרדיקלים החופשיים היוזמים את הקישור הצולב. ניתן לטפל בכך בקלות על ידי הפיכת הפתרון לטרי או לא באמצעות פתרונות מוכנים שגילם עולה על שבוע. אפשרות נוספת היא השפלה של TEMED - זה יהיה ניכר בהיווצרות של משקע צהוב. בעיה נפוצה נוספת היא נוכחות של בועות אוויר בפנטום הפולימרי. נטרול נכון של המים וטיפול זהיר כדי למנוע תסיסה עודפת על פני השטח אמורים למתן בעיה זו. אסטרטגיה חלופית תהיה לנטרל את הפתרון כולו לאחר שלב 2.5. עם זאת, זה צריך להתבצע מכסה אדים בשל נוכחות של אקרילאמיד.

פנטומים אלה מצוינים גם להדמיית התנהגותן של טיפות מוגבלות כדי לחקור התנהגות טיפתית בודדת; ניתן לעשות זאת על ידי הוספת PFCnDs לפנטום בשלב 2.4. יתר על כן, מכיוון שההצלבה נובעת מתגובה כימית, נוצר חום מועט יחסית בהשוואה להצלבה פיזיקלית המבוססת על טמפרטורת תמיסה קריטית עליונה כמו ג'לטין. זה מקטין את ההסתברות לאידוי ספונטני של הטיפות המשובצות.

בעוד שישנן מגוון שיטות לסינתזה של פנטומים, פוליאקרילאמיד מייצר פנטום עמיד יחסית ובלתי מתכלה בעל הנחתה אקוסטית נמוכה35 ומקדם ספיגה אופטי36. ניתן לכוונן תכונות אלה כדי לחקות בצורה קרובה יותר את התכונות האקוסטיות והאופטיות של רקמה אנושית על ידי התאמת הריכוז של תמיסת הפוליאקרילאמיד הסופית ובאמצעות הכללת חלקיקים בפנטום כגון סיליקה, חרוזי זכוכית או טיטניום דו-חמצני36. יתר על כן, ניתן לכוונן את התכונות המכניות של הפנטומים על ידי שינוי אחוז תכולת הפולימרים (כלומר אחוז האקרילאמיד והביס(אקרילאמיד)) ואחוז הקרוסלינקר (כלומר אחוז הביס(אקרילאמיד) בתכולת הפולימר הכוללת)37. פנטומים חלופיים כוללים, בין היתר, אגר38, ג'לטין39, אלכוהול פוליוויניל (PVA)40 וכו'.

השלבים הקריטיים להדמיה מוצלחת של התפלגות PFCnD מופעלת ודינמיקה היפראקוגנית הם כדלקמן. 1) סנכרן את מערכת הלייזר (מקור ההפעלה) ואת מערכת הדמיית האולטרסאונד. 2) יישר את חתך הלייזר הן עם אזור העניין של המטרה והן עם מישור הדמיית אולטרסאונד. 3) התאם פרמטרים של דימות אולטרסאונד המתאימים להדמיית PFCnD (כלומר, קצב פריימים, צורת גל דופק וכו ').

להפעלה האופטית של PFCnD יש יתרון ניכר על פני אלה המופעלים אקוסטית כי היא יכולה להתחמק מההפרעה האקוסטית אשר פוגעת באופן דרסטי באיכות תמונת האולטרסאונד תוך התבוננות בשלב העיבוי שלה בזמן. עם זאת, מאתגר לשלב וליישר את מערכת הלייזר עם מערכת הדמיית האולטרסאונד הן מבחינה מרחבית והן מבחינה זמנית. השימוש במחזיק מודפס בתלת-ממד מאפשר העברת אור חוזרת ומבוקרת. ניתן לפתור את העברת האור גם על ידי החדרת מוט מתכת להכללה בפנטום הפוליאקרילאמיד מכיוון שמוט המתכת אמור לייצר ניגודיות פוטואקוסטית כדי לציין העברת אור. הסנכרון הזמני הושג על ידי בניית פלטפורמה20 שפותחה בעבר, המאפשרת הן סנכרון של מערכת הלסינג והן של מערכת ההדמיה תוך שמירה על יכולת התכנות המלאה של מערכת ההדמיה Verasonics עם ממשק ידידותי למשתמש. בנוסף, התוכנית מספקת הדמיה קונבנציונלית בזמן אמת במצב B והדמיה פוטואקוסטית כדי לסייע בפתרון בעיות ובאיתור אזור העניין שבו מופצים PFCnDs. עם זאת, מערך זה דורש לייזר חיצוני בפולס ננו-שניות. נכון לעכשיו, למיטב ידיעתנו, ישנן כמה מערכות מסחריות שיש להן מערכות הדמיה משולבות לייזר-אולטרסאונד שעשויות לאפשר הדמיה PFCnD למשל, חזותיים (Vevo LAZR, Vevo LAZR-X, Vevo 3100, Vevo F2), Endera Nexus 128 ו- iTheraMedical (תובנה 64, inVision 128, inVision 256-TF, ו- inVision 512-echo).

הדמיית האולטרסאונד המהירה במיוחד של התנהגות האידוי-עיבוי של PFCnD סובלת בעיקר מרגישות נמוכה. בעוד שרוב הפתרונות הנפוצים לשיפור רגישות התמונה כוללים הרכבה מרובת מסגרות, טכניקות אלה מוגבלות על ידי המאפיין האינהרנטי שלהן להשפלת קצב המסגרות, מכיוון שהדמיית PFCnD פגיעה מאוד לתוצרי תנועה בכך שהיא כוללת תהליך דיפרנציאלי זמן. אפנון קוטביות הדופק בפרוטוקול שלנו מטפל ביעילות בבעיה זו בהדמיית PFCnD על ידי מינוף הדינמיקה האקוסטית של PFCnDs מאודים כדי לקבל תמונה מפלה וממושכת יותר, מבלי להשפיע כלל על הרזולוציה הטמפורלית.

בעוד ODV מאפשר טיפות עם יכולות ייחודיות כגון אידוי חוזר וניגודיות פוטואקוסטית, לשיטת ההפעלה יש חדירת עומק מוגבלת בהשוואה לאולטרסאונד. מכיוון שחדירת האור מוגבלת, הדבר מגביל את היישומים להליכים שטחיים בעיקר כגון תחליף לביופסיה של בלוטת הזקיף41. ניתן לעקוף מגבלה זו באמצעות מערכות העברת אור מבוססות קטטר, המאפשרות הפעלה בעומק הרקמה. מכיוון שהניגודיות היא אקוסטית, ניתן יהיה לצלם את האידוי בעומק דומה ל-ADV. טכניקת הפעלה חלופית עשויה להיות אידוי טיפות מגנטי, שבו חומרי ניגוד מגנטיים כגון ננו-חלקיקי תחמוצת ברזל עטופים בתוך הטיפה42. זה יאפשר אידוי בכל עומק.

בעתיד, היכולת של הפרוטוקול שלנו לדמות ולווסת את התגובה ההיפראקוגנית של PFCnD בו זמנית יכולה לשמש למספר יישומים שבהם נדרש ניטור ומניפולציה של PFCnD. לדוגמה, זמן זיהוי ארוך יותר יכול לשפר את איכות התמונה של הדמיה ברזולוציה גבוהה במיוחד על-ידי מתן מספר גדול יותר של מסגרות לממוצע. יתר על כן, לבקרה מדויקת יותר של PFCnD יש פוטנציאל להעלות את היעילות והבטיחות של טיפולים בתיווך בועות כגון פתיחת BBB ואספקת תרופות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

העבודה נתמכה בחלקה על ידי הקרן לחקר סרטן השד תחת מענק BCRF-20-043.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ammonium Persulfate (APS) VWR 97064-592
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC) Avanti Polar Lipids 850365C Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical.
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (DSPE-PEG) Avanti Polar Lipids 880120C Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical.
Acrylamide : Bisacrylamide solution (19:1) 40% (w/v), OmniPur® VWR EM-1300 acrylamide solution, lower concentration/ powder
IR-1048 Sigma 405175 Infrared dye
L11-4v Verasonics - ultrasound linear array transducer
Microtip 1/8" Qsonica LLC 4418 microtip for probe sonicator
N, N, N′, N′ -Tetramethylethylenediamine (TEMED) VWR 97064-902 Used to polymerize polyacrylamide by forming free radicals in the presence of ammonium persulfate
Nova II Ophir-Spiricon 7Z01550 laser power meter
Perfluorohexane Fluoromed APF-60M perfluorocarbon liquid
Phosphate buffered saline (PBS) tablets VWR 97062-732 Tablets used to make PBS
Q500 Qsonica LLC Q500-110 Probe sonicator
Silica gel Sigma-Aldrich 288500 2-25 μm particle size
Tempest 30 New wave research - Pulsed laser system
Vantage 128 Verasonics - research ultrasound imaging system
Zetasizer Nano ZS Malvern Instruments Ltd - Makes size measurements based on dynamic light scattering

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schutt, E. G., Klein, D. H., Mattrey, R. M., Riess, J. G. Injectable microbubbles as contrast agents for diagnostic ultrasound imaging: the key role of perfluorochemicals. Angewandte Chemie International Edition. 42 (28), 3218-3235 (2003).
  2. Lee, H., et al. Microbubbles used for contrast enhanced ultrasound and theragnosis: a review of principles to applications. Biomedical Engineering Letters. 7 (2), 59-69 (2017).
  3. Hobbs, S. K., et al. Regulation of transport pathways in tumor vessels: Role of tumor type and microenvironment. Proceedings of the National Academy of Sciences. 95 (8), 4607-4612 (1998).
  4. Ishida, O., Maruyama, K., Sasaki, K., Iwatsuru, M. Size-dependent extravasation and interstitial localization of polyethyleneglycol liposomes in solid tumor-bearing mice. International Journal of Pharmaceutics. 190 (1), 49-56 (1999).
  5. Wong, Z. Z., Kripfgans, O. D., Qamar, A., Fowlkes, J. B., Bull, J. L. Bubble evolution in acoustic droplet vaporization at physiological temperature via ultra-high speed imaging. Soft Matter. 7 (8), 4009 (2011).
  6. Yu, J., Chen, X., Villanueva, F. S., Kim, K. Vaporization and recondensation dynamics of indocyanine green-loaded perfluoropentane droplets irradiated by a short pulse laser. Applied Physics Letters. 109 (24), 243701 (2016).
  7. Kripfgans, O. D., Fowlkes, J. B., Miller, D. L., Eldevik, O. P., Carson, P. L. Acoustic droplet vaporization for therapeutic and diagnostic applications. Ultrasound in Medicine & Biology. 26 (7), 1177-1189 (2000).
  8. Aliabouzar, M., Kumar, K. N., Sarkar, K. Acoustic vaporization threshold of lipid-coated perfluoropentane droplets. The Journal of the Acoustical Society of America. 143 (4), 2001-2012 (2018).
  9. Sheeran, P. S., Luois, S., Dayton, P. A., Matsunaga, T. O. Formulation and acoustic studies of a new phase-shift agent for diagnostic and therapeutic ultrasound. Langmuir. 27 (17), 10412-10420 (2011).
  10. Sheeran, P. S., Luois, S. H., Mullin, L. B., Matsunaga, T. O., Dayton, P. A. Design of ultrasonically-activatable nanoparticles using low boiling point perfluorocarbons. Biomaterials. 33 (11), 3262-3269 (2012).
  11. Wilson, K., Homan, K., Emelianov, S. Biomedical photoacoustics beyond thermal expansion using triggered nanodroplet vaporization for contrast-enhanced imaging. Nature Communications. 3 (1), 618 (2012).
  12. Strohm, E., Rui, M., Gorelikov, I., Matsuura, N., Kolios, M. Vaporization of perfluorocarbon droplets using optical irradiation. Biomedical Optics Express. 2 (6), 1432 (2011).
  13. Wei, C., et al. Laser-induced cavitation in nanoemulsion with gold nanospheres for blood clot disruption: in vitro results. Optics Letters. 39 (9), 2599 (2014).
  14. Hannah, A., Luke, G., Wilson, K., Homan, K., Emelianov, S. Indocyanine green-loaded photoacoustic nanodroplets: Dual contrast nanoconstructs for enhanced photoacoustic and ultrasound imaging. ACS Nano. 8 (1), 250-259 (2014).
  15. Lajoinie, G., et al. Ultrafast vapourization dynamics of laser-activated polymeric microcapsules. Nature Communications. 5 (1), 3671 (2014).
  16. Hannah, A. S., Luke, G. P., Emelianov, S. Y. Blinking phase-change nanocapsules enable background-free ultrasound imaging. Theranostics. 6 (11), 1866-1876 (2016).
  17. Santiesteban, D. Y., Hallam, K. A., Yarmoska, S. K., Emelianov, S. Y. Color-coded perfluorocarbon nanodroplets for multiplexed ultrasound and photoacoustic imaging. Nano Research. 12 (4), 741-747 (2019).
  18. Luke, G. P., Hannah, A. S., Emelianov, S. Y. Super-resolution ultrasound imaging in vivo with transient laser-activated nanodroplets. Nano Letters. 16 (4), 2556-2559 (2016).
  19. Zhu, Y. I., Yoon, H., Zhao, A. X., Emelianov, S. Y. Leveraging the imaging transmit pulse to manipulate phase-change nanodroplets for contrast-enhanced ultrasound. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 66 (4), 692-700 (2019).
  20. Yoon, H., Zhu, Y. I., Yarmoska, S. K., Emelianov, S. Y. Design and demonstration of a configurable imaging platform for combined laser, ultrasound, and elasticity imaging. IEEE Transactions on Medical Imaging. 38 (7), 1622-1632 (2019).
  21. Taylor, P. Ostwald ripening in emulsions. Advances in Colloid and Interface Science. 75 (2), 107-163 (1998).
  22. Freire, M. G., Dias, A. M. A., Coelho, M. A. Z., Coutinho, J. A. P., Marrucho, I. M. Aging mechanisms of perfluorocarbon emulsions using image analysis. Journal of Colloid and Interface Science. 286 (1), 224-232 (2005).
  23. Yarmoska, S. K., Yoon, H., Emelianov, S. Y. Lipid shell composition plays a critical role in the stable size reduction of perfluorocarbon nanodroplets. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (6), 1489-1499 (2019).
  24. Sheeran, P. S., et al. Decafluorobutane as a phase-change contrast agent for low-energy extravascular ultrasonic imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (9), 1518-1530 (2011).
  25. Lin, S., et al. Optically and acoustically triggerable sub-micron phase-change contrast agents for enhanced photoacoustic and ultrasound imaging. Photoacoustics. 6, 26-36 (2017).
  26. Sheeran, P. S., et al. Methods of generating submicrometer phase-shift perfluorocarbon droplets for applications in medical ultrasonography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 64 (1), 252-263 (2017).
  27. Shui, L., vanden Berg, A., Eijkel, J. C. T. Scalable attoliter monodisperse droplet formation using multiphase nano-microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 11 (1), 87-92 (2011).
  28. Jeong, W. -C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a Chip. 12 (8), 1446 (2012).
  29. Xu, X., et al. Microfluidic production of nanoscale perfluorocarbon droplets as liquid contrast agents for ultrasound imaging. Lab on a Chip. 17 (20), 3504-3513 (2017).
  30. Song, R., Peng, C., Xu, X., Zou, R., Yao, S. Facile fabrication of uniform nanoscale perfluorocarbon droplets as ultrasound contrast agents. Microfluidics and Nanofluidics. 23 (1), 12 (2019).
  31. Liedtke, S., Wissing, S., Müller, R. H., Mäder, K. Influence of high-pressure homogenisation equipment on nanodispersions characteristics. International Journal of Pharmaceutics. 196 (2), 183-185 (2000).
  32. Reznik, N., Williams, R., Burns, P. N. Investigation of vaporized submicron perfluorocarbon droplets as an ultrasound contrast agent. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (8), 1271-1279 (2011).
  33. Grapentin, C., Barnert, S., Schubert, R. Monitoring the stability of perfluorocarbon nanoemulsions by cryo-TEM image analysis and dynamic light scattering. Plos One. 10 (6), 0130674 (2015).
  34. de Gracia Lux, C., et al. Novel method for the formation of monodisperse superheated perfluorocarbon nanodroplets as activatable ultrasound contrast agents. RSC Advances. 7 (77), 48561-48568 (2017).
  35. Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), 475-484 (2007).
  36. Hariri, A., et al. Polyacrylamide hydrogel phantoms for performance evaluation of multispectral photoacoustic imaging systems. Photoacoustics. 22, 100245 (2021).
  37. Denisin, A. K., Pruitt, B. L. Tuning the range of polyacrylamide gel stiffness for mechanobiology applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (34), 21893-21902 (2016).
  38. Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the iec agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
  39. Madsen, E. L., Zagzebski, J. A., Banjavie, R. A., Jutila, R. E. Tissue mimicking materials for ultrasound phantoms. Medical Physics. 5 (5), 391-394 (1978).
  40. Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
  41. Kim, H., Chang, J. H. Multimodal photoacoustic imaging as a tool for sentinel lymph node identification and biopsy guidance. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 183-191 (2018).
  42. Zhou, Y., et al. Magnetic nanoparticle-promoted droplet vaporization for in vivo stimuli-responsive cancer theranostics. NPG Asia Materials. 8 (9), 313 (2016).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 173 אולטרסאונד ננו-טיפות פרפלואורוקרבון ננו-טיפות חומרי ניגוד אמולסיה ננו-חלקיקים פוטואקוסטיים שינוי פאזה
נוסחה ואפנון אקוסטי של ננו-טיפות פרפלואורוקרבון שעברו אידוי אופטי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhao, A., Lee, J., Emelianov, S.… More

Zhao, A., Lee, J., Emelianov, S. Formulation and Acoustic Modulation of Optically Vaporized Perfluorocarbon Nanodroplets. J. Vis. Exp. (173), e62814, doi:10.3791/62814 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter