通过等离子体金纳米颗粒可控成核空化以增强高强度聚焦超声应用

该方法有助于解答高强度聚焦超声领域中的关键问题，例如激光超声诱导的空化是否可用于引导并增强HIFU癌症治疗。该技术的主要优势在于，通过结合纳米颗粒、HIFU和激光照射，能够克服这三种手段各自单独使用时的局限性。制备仿组织模型以验证该成核方法。

在玻璃烧杯中加入去离子、脱气的室温水。此外，配制40%（重量/体积）的丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液。将该溶液加入水中，随后加入缓冲液和过硫酸铵。

将烧杯放入位于磁力搅拌器上的真空室中。向烧杯中加入一根40毫米长的聚四氟乙烯（PTFE）磁力搅拌子，以中等速度搅拌。缓慢加入牛血清白蛋白粉末。

操作完成后，关闭真空室并启动真空泵。维持目标真空度，继续搅拌60分钟。随后释放真空，继续对溶液进行后续操作。

对于需要纳米颗粒的模型，加入纳米颗粒。对于所有模型，加入催化剂。混合五分钟后，将溶液倒入各个模具中，静置 20 分钟。

这是一个已凝固并从模具中取出的模体示例，可直接用于实验。模体凝固后，应将脱模的模体储存于密闭容器中。

制备校准模体时，首先准备模体溶液。将烧杯和搅拌子置于磁力搅拌器上的真空腔内。以中等速度开始搅拌，并将腔体抽至目标真空度。

取出溶液后，将25毫升倒入模具中，并加入催化剂。等待20分钟，然后将一个直径一毫米的球形金属靶标置于模体中心。接着，再向模具中倒入25毫升模体溶液。

加入催化剂，再等待20分钟。固定后，校准模体即可用于实验或储存于密闭容器中。准备实验所需的装置。

为此，准备一个装有4.5升去离子、脱气水的丙烯酸水箱。在水箱的一端放置声学吸收体。接着，将注意力转向高强度聚焦超声换能器。

将其与共轴宽带水听器安装在三轴微米级位移台上。将换能器和水听器完全浸入水箱中，并朝向吸声体。将换能器连接至阻抗匹配电路，使其可在其第三谐波频率下工作。

该电路直接连接至射频功率放大器的输出端，射频功率放大器的输入端为一个数字函数发生器。函数发生器通过远程编程控制。校准后，获取一个校准模体以继续完成设置。

将模型置于3D打印的支架中，并安装在自动化的三维平台上。调整模型位置，使磁性目标位于换能器的大致焦点峰值处。然后，将水听器直接连接到数据采集卡。

使用换能器和水听器对准目标进行脉冲回波定位。发送一个持续三微秒、10个周期的脉冲信号，并在计算机上实时观察检测到的信号。调节换能器的千分尺平台，以改变飞行时间和信号幅度。

当飞行时间为85微秒且信号幅度达到最大时，系统即完成对准。接下来，将宽带水听器直接连接至一个5兆赫高通滤波器。将信号通过40分贝的前置放大器，然后送入数据采集卡。

现在，为样品设置激光照明。通过TTL数字延迟脉冲发生器将532纳米脉冲激光器与函数发生器同步。使用该激光器泵浦一个光学参量振荡器。

使用一根两毫米的光纤束将输出端与仿体耦合。在水箱处，将该光纤安装在千分尺位移台上。将光纤置于仿体前方，使其与声轴成45度角。

进行校准对准时，使用可见光。调整光束位置，使准直目标位于直径15毫米的激光光斑中心。最后，将数字显微镜和白光光源分别放置在水箱的两侧。

将显微镜安装在微米级载物台上。调整其位置，使校准目标在视野中清晰对焦。确保已放置正确的模型。

在此情况下，使用适当的组织仿体替代校准仿体。将激光波长调节至纳米颗粒的表面等离子体共振波长。在控制计算机上，设置换能器以产生一个10个周期的脉冲，并设定激光能量密度。

将高强度聚焦超声脉冲的焦点峰值定位在垂直方向上13个不同的位置，每个位置深度为10毫米，间距为5毫米。确保水槽中已放置组织等效体模。然后，通过软件设置能量密度和连续波暴露参数。

使用显微镜记录在选定峰值负压的高强度聚焦超声作用于某一位置时热损伤的形成过程。这些数据是在不同条件下，对不同仿组织体模进行短时、高强度聚焦超声照射所获得的探测器电压随时间变化的结果。在这些数据集中，体模还接受了激光照射。

然而，其中一个仿体不含纳米棒，而另一个仿体含有纳米棒。在这些数据集中，两个仿体均含有纳米棒，但其中一个接受了激光照射，而另一个仿体则未接受激光照射。这表明，只有当纳米颗粒、超声暴露和激光照射同时存在时，才能检测到宽带发射信号。

该显微镜视频展示了在高强度聚焦超声和激光照射下，含有纳米棒的凝胶模型中热损伤和空化损伤形成的实例。在进行此操作时，重要的是要记住，在处理化学品时应佩戴适当的个人防护装备，并在使用激光时确保采用正确的眼部防护措施。该技术发展成熟后，有望为高强度聚焦超声治疗领域的研究人员开辟新途径，探索利用分子靶向纳米颗粒通过靶向性和快速热消融来增强癌症治疗效果。