Waiting
Traitement de la connexion…

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

Bioengineering

صياغة وتعديل صوتي للقطرات النانوية المشبعة بالفلور الكربون المتبخرة بصريا

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

تظهر قطرات نانوية مشبعة بالفلور كربون منشطة بصريا واعدة في تطبيقات التصوير خارج نظام الأوعية الدموية. ستوضح هذه المقالة كيفية تجميع هذه الجسيمات ، وربط أشباح بولي أكريلاميد ، وتعديل القطرات صوتيا لتعزيز إشارتها.

Abstract

الفقاعات الدقيقة هي عامل تباين التصوير الأكثر استخداما في الموجات فوق الصوتية. ومع ذلك ، نظرا لحجمها ، فهي تقتصر على مقصورات الأوعية الدموية. يمكن تكثيف هذه الفقاعات الدقيقة أو صياغتها على شكل قطرات نانوية مشبعة بالفلور الكربون (PFCnDs) صغيرة بما يكفي للتسرب ثم يتم تشغيلها صوتيا في الموقع المستهدف. يمكن تعزيز هذه الجسيمات النانوية بشكل أكبر من خلال تضمين ممتص بصري مثل الصبغة العضوية القريبة من الأشعة تحت الحمراء أو الجسيمات النانوية (على سبيل المثال ، جسيمات كبريتيد النحاس النانوية أو جسيمات الذهب النانوية / القضبان النانوية). يمكن تبخير PFCnDs الموسومة بصريا من خلال تشعيع الليزر في عملية تعرف باسم تبخير القطيرات الضوئية (ODV). تتيح عملية التنشيط هذه استخدام نوى مشبعة بالفلور كربون عالية نقطة الغليان ، والتي لا يمكن تبخيرها صوتيا تحت عتبة المؤشر الميكانيكي القصوى للتصوير التشخيصي. ينتج عن نوى نقطة الغليان الأعلى قطرات تتكثف بعد التبخير ، مما يؤدي إلى "وميض" PFCnDs التي تنتج تباينا لفترة وجيزة بعد التبخير قبل أن تتكثف مرة أخرى إلى شكل قطرات نانوية. يمكن تكرار هذه العملية لإنتاج تباين عند الطلب ، مما يسمح بالتصوير الحر للخلفية ، وتعدد الإرسال ، والدقة الفائقة ، وتحسين التباين من خلال كل من التعديل البصري والصوتي. ستوضح هذه المقالة كيفية توليف PFCnDs ذات القشرة الدهنية القابلة للتشغيل بصريا باستخدام صوتنة المسبار ، وإنشاء أشباح بولي أكريلاميد لتوصيف القطرات النانوية ، وتعديل PFCnDs صوتيا بعد ODV لتحسين التباين.

Introduction

الفقاعات الدقيقة هي عامل التباين بالموجات فوق الصوتية الأكثر انتشارا نظرا لتوافقها الحيوي وصدى الصدى الممتاز مقارنة بالأنسجة الرخوة. هذا يجعلها أدوات قيمة لتصور تدفق الدم ، وتحديد الأعضاء ، وغيرها من التطبيقات1. ومع ذلك ، فإن حجمها (1-10 ميكرومتر) ، مما يجعلها استثنائية للتصوير بناء على تردد الرنين ، يقصر تطبيقاتها على الأوعية الدموية2.

وقد أدى هذا القيد إلى تطوير PFCnDs ، وهي مستحلبات نانوية تتكون من خافض للتوتر السطحي مغلفة حول قلب سائل من الكربون المشبع بالفلور. يمكن تصنيع هذه الجسيمات النانوية بأحجام صغيرة تصل إلى 200 نانومتر وهي مصممة للاستفادة من الأوعية الدموية أو المسام "المتسربة" و fenestrations المفتوحة الموجودة في الأوعية الدموية للورم. في حين أن هذه الاضطرابات تعتمد على الورم ، فإن هذه النفاذية تسمح بتسرب الجسيمات النانوية من ~ 200 نانومتر - 1.2 ميكرومتر اعتمادا على الورم 3,4. في شكلها الأولي ، تنتج هذه الجسيمات تباينا ضئيلا أو معدوما. عند التبخير - المستحث صوتيا أو بصريا - يتغير الطور الأساسي من السائل إلى الغاز ، مما يؤدي إلى زيادة قطرها بمقدار ضعفين ونصف إلى خمسة أضعاف في القطر5،6،7 وتوليد تباين ضوئي صوتي وموجات فوق صوتية. في حين أن التبخير الصوتي هو أكثر طرق التنشيط شيوعا ، فإن هذا النهج يخلق قطعا أثرية صوتية تحد من تصوير التبخير. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب معظم مركبات الكربون المشبعة بالفلور الموجات فوق الصوتية المركزة مع مؤشر ميكانيكي يتجاوز عتبة الأمان لتبخير8. وقد أدى ذلك إلى تطوير PFCnDs ذات نقطة غليان أقل ، والتي يمكن تصنيعها عن طريق تكثيف الفقاعات الدقيقة في قطرات نانوية9. ومع ذلك ، فإن هذه القطرات أكثر تقلبا وتخضع للتبخير التلقائي10.

من ناحية أخرى ، يتطلب تبخير القطيرات الضوئية (ODV) إضافة مشغل بصري مثل الجسيمات النانوية 11،12،13 أو الصبغة6،14،15 ويمكن أن يبخر مركبات الكربون المشبعة بالفلور ذات درجة الغليان الأعلى باستخدام fluences ضمن حد أمان ANSI 11. PFCnDs التي يتم تصنيعها مع نوى نقطة غليان أعلى أكثر استقرارا وستتكثف بعد التبخير ، مما يسمح بالتصوير الخالي من الخلفية16 ، وتعدد الإرسال17 ، والدقةالفائقة 18. أحد القيود الرئيسية لهذه التقنيات هو حقيقة أن PFCnDs ذات نقطة الغليان العالية تكون منشطة بعد التبخير لفترة زمنية قصيرة فقط ، على مقياس ميلي ثانية19 ، وهي باهتة نسبيا. في حين يمكن التخفيف من هذه المشكلة من خلال التبخير المتكرر والمتوسط ، فإن اكتشاف إشارة القطيرات وفصلها لا يزال يمثل تحديا.

بالاستلهام من انعكاس النبض ، يمكن تحسين المدة والتباين عن طريق تعديل مرحلة نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية19. من خلال بدء نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية بمرحلة التخلخل (n-pulse) ، تزداد مدة وتباين PFCnDs المتبخر. في المقابل ، يؤدي بدء نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية بمرحلة ضغط (p-pulse) إلى تقليل التباين وأقصر في المدة. سوف تصف هذه المقالة كيفية توليف قطرات نانوية مشبعة بالفلور كربون قابلة للتشغيل بصريا ، وأشباح بولي أكريلاميد شائعة الاستخدام في التصوير ، وإظهار تعزيز التباين وتحسين طول عمر الإشارة من خلال التعديل الصوتي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. صياغة قطرات نانوية مشبعة بالفلور الكربون

  1. اشطف قارورة مستديرة القاع سعة 10 مل بالكلوروفورم واغسل حقنة زجاجية محكمة الغلق بسعة 10 ميكرولتر و 1 مل بالكلوروفورم عن طريق استنشاق حجم المحقنة بالكامل بشكل متكرر وطردها لما مجموعه ثلاث مرات.
    تنبيه: الكلوروفورم متطاير ويمكن أن يكون ساما إذا تم استنشاقه. يجب تنفيذ جميع الأعمال مع هذا المذيب في غطاء الدخان.
  2. باستخدام المحاقن، أضف 200 ميكرولتر من DSPE-mPEG2000 (25 ملغم/مل)، 6.3 ميكرولتر من 1،2-ديستيرويل-سن-غليسيرو-3-فوسفوكولين (DSPC، 25 ملغم/مل) و1 مل من الأشعة تحت الحمراء 1048 (1 ملغم/مل في الكلوروفورم) في الدورق المستدير القاع. تذكر تنظيف المحاقن بين الدهون / الصبغة لمنع تلوث المخزون.
    ملاحظة: أصباغ الأشعة تحت الحمراء حساسة للضوء ، ويجب أن يتم العمل في ظروف معتمة أو يجب تغطية القوارير بورق الألمنيوم.
  3. قم بإزالة المذيب باستخدام مبخر دوار. تأكد من ضبط الفراغ ببطء على 332 ملي بار لمنع الارتطام. بعد 5 دقائق ، قلل الضغط إلى 42 ملي بار لإزالة أي ماء قد يكون دخل المحلول.
    ملاحظة: يمكن تخزين كعكة الدهون طوال الليل في دورق دائري القاع مغطى بالبارافيلم عند 4 درجات مئوية.
  4. كعكة الدهون في 1 مل من محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) و sonicate أو دوامة في درجة حرارة الغرفة لمدة 5 دقائق أو حتى يتم تعليق كل كعكة الدهون وإذابتها في المحلول. Sonicate لمدة 2 دقيقة إضافية لتجانس الحل.
  5. انقل المحلول إلى قنينة زجاجية سعة 7 مل وضع القارورة في طبق زجاجي مملوء بالثلج للسماح للمحلول بالتبريد لمدة 5 دقائق قبل إضافة 50 ميكرولتر من بيرفلورو هكسان باستخدام حقنة زجاجية محكمة الغلق. تذكر أن تشطف المحقنة بالبيرفلوروهكسان قبل توزيعها في القارورة.
  6. ضع القارورة الزجاجية التي تحتوي على الدهون وحمام الثلج في حاوية سونيكاتور المسبار واغمر طرف المسبار أسفل miniscus. تأكد من أن جوانب مسبار الصوتنة لا تلمس شفة القارورة الزجاجية.
  7. دقق في صوتنة الخليط بالإعدادات التالية: السعة 1 ، وقت العملية: 20 ثانية ، النبض على: 1 ثانية ، النبض الإيقاف: 5 ثوان. ثم صوتي في الإعدادات التالية: السعة: 50 ، وقت العملية: 5 ثانية ، نبض على: 1 ثانية ، نبض قبالة: 10 ثانية.
  8. انقل محلول القطرات النانوية إلى أنبوب طرد مركزي سعة 1.5 مل وأجهزة طرد مركزي بسرعة 300 × جم لمدة 3 دقائق لفصل القطرات الأكبر (>1 ميكرومتر) عن القطرات الأصغر.
  9. تخلص من الحبيبات وانقل المادة الطافية إلى أنبوب طرد مركزي آخر سعة 1.5 مل. اغسل المادة الطافية عن طريق الطرد المركزي عند 3000 × جم لمدة 5 دقائق لتكوير جميع القطرات في المحلول. أعد تعليق PFCnDs في 1 مل من PBS عن طريق سحب الحبيبات لأعلى ولأسفل ثم صوتنة في جهاز صوتي الحمام لمدة دقيقة واحدة.
  10. قم بقياس حجم القطرات باستخدام تشتت الضوء الديناميكي (DLS). تمييع PFCnDs الأسهم بمقدار 100 ضعف (10 ميكرولتر من مخزون PFCnD في 990 ميكرولتر من PBS) وسونيكات الحمام لتفريق PFCnDs قبل القياس. النتائج التمثيلية موضحة في الشكل 1.
  11. تحديد تركيز PFCnDs باستخدام محلل تتبع الجسيمات النانوية (انظر جدول المواد). قم بتخفيف PFCnDs بمقدار 100-1000 ضعف لضمان القياس الدقيق للتركيز. ينتج البروتوكول عادة قطرات بتركيز 1010 جسيمات / مل.
  12. قم بإعداد 10 مل من هلام اقتران الموجات فوق الصوتية في أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل وأضف 1٪ (v / v) أو 100 ميكرولتر من PFCnDs لعمل محلول ~ 108 جسيمات / مل. دوامة الحل للخلط. جهاز طرد مركزي الخليط على 4000 × جم لمدة 3 دقائق لإزالة الفقاعات.

2. إعداد بولي أكريلاميد الوهمية

  1. قم بتفريغ الماء عن طريق ملء دورق فراغ سعة 500 مل ب 400 مل من الماء منزوع الأيونات ، وأغلقه بفلين مطاطي ، وقم بتوصيل القارورة بخط التفريغ. افتح خط الفراغ واغمر الجزء السفلي من القارورة في سونيكاتور الحمام. سونيك لمدة 5 دقائق أو حتى لا يكون تشكيل فقاعة الغاز مرئية.
  2. تحضير محلول بيرسلفات الأمونيوم 10٪ (APS) عن طريق إذابة 500 مجم في 5 مل من الماء المنزوع الغاز. حرك المحلول برفق إذا لم يذوب بيرسلفات الأمونيوم تماما.
  3. في دورق سعة 400 مل مع قضيب تقليب على لوح تقليب ، أضف 150 مل من الماء المنزوع الغازات و 50 مل من محلول الأكريلاميد - بيساكريلاميد 40٪ (وزن / فولت) لتشكيل 200 مل من محلول أكريلاميد - بيساكريلاميد 10٪. حرك الخليط عند 200 دورة في الدقيقة للسماح بالخلط المناسب دون إدخال فقاعات.
    تنبيه: مادة الأكريلاميد مادة مسرطنة ، ويجب أن يتم كل العمل في غطاء دخان مع قفازات ، خاصة إذا كان يعمل مع مادة الأكريلاميد في شكل مسحوق.
  4. قم بوزن 400 مجم من السيليكا وأضفها إلى محلول أكريلاميد بيساكريلاميد 10٪ من الخطوة 2.3 لتشكيل 0.2٪ (وزن / حجم) من محلول السيليكا والأكريلاميد.
    تنبيه: يمكن أن تكون السيليكا عند استنشاقها مادة مسرطنة. يجب تنفيذ جميع الأعمال بما في ذلك الوزن في غطاء الدخان.
  5. قم بإعداد قالب مربع 58 مم × 58 مم × 78 مم مع تضمين أسطواني عن طريق قطع أطراف من ماصة نقل بلاستيكية ودعمها في القالب بشريط مختبري. انظر الشكل 2.
  6. أضف 2 مل من محلول APS بنسبة 10٪ إلى الدورق للحصول على تركيز نهائي بنسبة 0.1٪ APS وأضف 250 ميكرولتر من رباعي ميثيل إيثيلين ديامين (TEMED) إلى المحلول الوهمي. اترك المحلول يحرك لفترة وجيزة (أقل من دقيقة).
  7. صب المحلول بسرعة في القالب ، مع الحرص على عدم إدخال فقاعات الهواء في المحلول. يجب أن يتبلمر المحلول في غضون 10 دقائق. قم بإزالة الشبح عن طريق تشغيل الطرف المسطح لملعقة المختبر حول حافة القالب وقلب القالب.
    ملاحظة: يمكن إعادة استخدام هذه الأشباح عدة مرات ويجب غمرها في الماء وتخزينها عند 4 درجات مئوية.

3. تصوير القطيرات النانوية المشبعة بالفلور

  1. قم بتشغيل وتسخين نظام الليزر النبضي لمدة ~ 20 دقيقة باتباع تعليمات الشركة المصنعة. تأكد من توصيل حزمة الألياف الضوئية بشكل صحيح بإخراج الليزر ووضع الساقين بشكل صحيح داخل حامل حزمة الألياف.
  2. قم بتشغيل نظام التصوير بالموجات فوق الصوتية ، وقم بتوصيل محول تصوير الصفيف (L11-4v) بالنظام وقم بإصلاح محول الطاقة داخل الحامل لمحاذاة مستوى التصوير الخاص به مع المقطع العرضي لليزر.
  3. اضبط تردد تكرار النبض لنظام الليزر على 10 هرتز وضع مقياس طاقة في نهاية حزمة الألياف لقياس الطاقة. اضبط تأخير مفتاح q حتى يكون الطلاقة المقدرة 70 مللي جول / سم2.
    تنبيه: يجب ارتداء النظارات المناسبة عند إطلاق الليزر ويجب أن تحيط ستائر الليزر بالمساحة.
  4. ردم إحدى القنوات في شبح بولي أكريلاميد بمزيج جل الموجات فوق الصوتية / PFCnD باستخدام حقنة بلاستيكية ذات طرف منزلق سعة 1 مل. قم بتغطية الجزء العلوي من القناة بحرية باستخدام هلام الموجات فوق الصوتية وإزالة أي فقاعات باستخدام حقنة بلاستيكية ذات طرف منزلق سعة 1 مل. ضع شبح بولي أكريلاميد أسفل محول الطاقة وحزمة الألياف كما هو موضح في الشكل 3.
  5. استخدم منصة التصوير بالموجات فوق الصوتية والمرونة بالليزر (CLUE) المدمجة استنادا إلى البرنامج20 لتصوير PFCnD المتزامن مع التنشيط البصري. قم بتغيير المعلمات العامة المعرفة من قبل المستخدم في بنية Param للتصوير: اضبط عمق البداية / النهاية على 0/40 مم ، وتردد المركز على 6.9 ميجا هرتز ، واسم محول الطاقة على "L11-4v".
  6. حدد RunCase جديدا وصمم تسلسل وحدة نمطية للتنشيط / التكثيف البصري المتكرر والتصوير الأمريكي ل PFHnDs. يتم ذلك عن طريق سرد الوحدات المحددة مسبقا مثل التصوير فائق السرعة (mUF) والليزر الخارجي (mExtLaser) والخمول (mIdle).
    1. كرر مجموعة التسلسل mExtLaser-mIdle-mUF-mExtLaser-mUF مرتين للحصول على بيانات تصوير n-pulse و p-pulse.
      ملاحظة: يتم تعيين وحدة mExtLaser الأولى في كل تسلسل كليزر زائف عن طريق تعيين ExtLaser.Enable إلى 0 ويتم تضمين "mIdle" لتقليل الوقت بين صور الولايات المتحدة الخلفية والصور الأمريكية n / p النبضية بعد تنشيط الليزر.
  7. قم بتعيين معلمات الوحدة النمطية لكل وحدة نمطية موضوعة في تسلسل الوحدة النمطية لحالة التشغيل الحالية. الوصول إلى كل معلمة وحدة نمطية عن طريق فهرس يتوافق مع ترتيبها في تسلسل الوحدة. ستقوم الوحدات بتنفيذ عمليات محددة مسبقا مع تعيين مستخدم معلمات الوحدة هنا.
    1. اضبط ExtLaser.QSdelay في وحدات الليزر الخارجية على قيمة تأخير مفتاح Q بالليزر الذي تم ضبطه في الخطوة 3.3 ، بالميكروثانية. تنتظر هذه الوحدة تشغيل مصباح يدوي لنظام الليزر وتولد مشغل Q-switch بعد التأخير المحدد في QSdelay.
    2. في وحدة التصوير فائقة السرعة ، اضبط Resource.numFrame على 100 ، واضبط SeqControl.PRI على 200 (μs) ، واضبط TW.polarity على 1 لنبض P و -1 لنبض N (انظر الشكل 4 لشكل النبضة المقابل). ستنقل هذه الوحدة موجة مستوية فائقة السرعة 0 درجة مع نوع النبض المحدد في TW.polarity.
      1. احصل على نافذة تصوير كاملة بعرض 38.8 مم لعدد الإطارات في Resource.numFrame ، وفاصل تكرار النبض ل SeqControl.PRI ، ثم احفظ البيانات للمعالجة خارج الخط.
    3. اضبط SeqControl.lastPRI_Module في وحدة الخمول على طول الفترة الزمنية بين نبضات الليزر (100 مللي ثانية) مطروحة بتأخير Q-switch ، ووقت الحصول على بيانات التصوير (20 مللي ثانية) ، وهامش 20 ميكرو ثانية لانتقال الإشارة. تحافظ هذه الوحدة على النظام في حالة "عدم التشغيل" للوقت في SeqControl.lastPRI_Module لملء الفجوة الزمنية بين نهاية الحصول على بيانات التصوير وإثارة نبضة الليزر التالية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يجب أن ينتج عن الصياغة الناجحة والفصل بالطرد المركزي ل PFCnDs قطرات بحجم قطرها 200-300 نانومتر (الشكل 1 أ). قد تظهر القطرات المنفصلة بشكل غير صحيح قمم صغيرة حوالي 1 ميكرومتر. يمكن أن تكون هذه الحلول أكثر حمام صوتي لتفتيت قطرات أكبر. سيزداد حجم القطرات بمرور الوقت بسبب الاندماج و / أو الانتشار في عملية تعرف باسم نضج أوستوالد21,22 (الشكل 1 ب).

أدى التعديل الصوتي للقطرات عن طريق معالجة نبضة التصوير إلى تحسين تباين PFCnDs المتبخر. وقد تجلى ذلك في صور PFCnD التي أعيد بناؤها عن طريق طرح الإطارات المجاورة للصور المشكلة بحيث تكون الإشارة المرتجعة من PFCnD المتبخرة فقط مرئية ويتم قمع إشارة الخلفية الثابتة. يتم قياس التباين من خلال نسبة الفرق بين متوسط إشارات منطقة التضمين الدائرية ومتوسط إشارة الخلفية على متوسط إشارة الخلفية. يتم تعريف إشارة الخلفية من خلال الإشارات من اثنين من عائد الاستثمار المستطيل للخلفية التي تقع في نفس العمق والمساحة المكافئة للتضمينات. التباين من تضمين نبضة N أكبر بحوالي 3.2 مرة (أي تحسن بنسبة 220٪) من النبض P (الشكل 5).

كما زادت نبضة التصوير المعكوسة من طول عمر الإشارة من تبخير PFCnD. تم تحديد ذلك عن طريق تحديد وحدات البكسل في منطقة التضمين الدائرية التي تتجاوز إشارة الخلفية. تم تعريف النسبة المئوية للبكسل في التضمين الذي كان أعلى من الحد على أنه منطقة فرط الصدى (٪). لفحص سلوك فرط الصدى ل PFCnDs بمرور الوقت ، يتم حساب المنطقة المفرطة الصدى لكل إطار ويتم تسويتها بواسطة المنطقة شديدة الصدى للإطار الأول ، ثم يتم تركيبها في نموذج الاضمحلال الأسي. تم استخدام هذه الوظيفة لتحديد وقت الاضمحلال المميز ، والذي يعرف بأنه الفترة الزمنية التي تستغرقها المنطقة مفرطة الصدى بعد تنشيط PFCnD للاضمحلال إلى 10٪ فقط من المنطقة الأولية (الشكل 6 أ). يصل وقت الاضمحلال المميز للمنطقة شديدة الصدى الطبيعية إلى 3.5 مرات أطول في التصوير بالنبض N مقارنة بالنبض P. يتم عرض إطارات الصور التفاضلية التمثيلية للوضع B في الوقت المناسب لكل تصوير N-pulse و P-pulse في الشكل 6 ب.

Figure 1
الشكل 1: قياسات حجم DLS ل PFCnDs والاستقرار. (أ) متوسط توزيع كثافة حجم القطرات من ثلاثة قياسات للقطرات بعد التوليف (متوسط PDI: 0.132 ± 0.016 ؛ متوسط Z: 259.3 ± 0.7 نانومتر). (ب) متوسط توزيع كثافة حجم القطرات من ثلاثة قياسات مأخوذة بعد 24 ساعة من التوليف (متوسط PDI: 0.252 ± 0.061 ؛ متوسط Z: 322.5 ± 4.5 نانومتر). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 2
الشكل 2: صورة ورسم تخطيطي لقالب بولي أكريلاميد . (أ) صورة القالب المصنوع من شريط المختبر والحاوية البلاستيكية. (ب) تخطيطي مع قياسات شبح بولي أكريلاميد بعد إزالته من العفن. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 3
الشكل 3: رسم تخطيطي لتوصيل نبضة الليزر والتصوير بالموجات فوق الصوتية. (أ) يتم تمييز مكونات التجميع ويتم توضيح محاذاة مستوى شعاع الليزر / التصوير بالموجات فوق الصوتية بالنسبة لموضع التضمين. (ب) صورة توضح الإعداد الفعلي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 4
الشكل 4: محاكاة نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية. تتم محاكاة الأشكال الموجية بواسطة برنامج نظام التصوير بالموجات فوق الصوتية ، الذي تم أخذ عينات منه بواسطة 250 ميجاهرتز. يتم إنشاء الشكل الموجي لنبضة P و N-pulse بنفس تردد المركز وعرض النبضة ولكن لها فرق طور 180 درجة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 5
الشكل 5: قياس التباين. متوسط قيمة التباين لمنطقة التضمين لنبضة N ونبضة P ، تمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري (n = 3). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 6
الشكل 6: منحنى الاضمحلال المميز للمنطقة مفرطة الصدى والسحرة التفاضلية التمثيلية في الوضع B . (أ) منطقة مفرطة الصدى طبيعية ناتجة عن تنشيط PFCnD بمرور الوقت لتصوير N-pulse و P-pulse في نفس المقطع العرضي. يشير الخط المنقط إلى 10٪ من المنطقة الأولية مفرط الصدى. يمثل الوقت الذي تتقاطع فيه قطعة الأرض المجهزة مع الخط المنقط وقت الاضمحلال المميز. (ب) تظهر الصور نافذة عائد استثمار مقصوصة تتمحور حول التضمين ، مرسومة على مقياس ديسيبل بنطاق ديناميكي يبلغ 35. يظهر الصف العلوي سلوك التكثيف الذي تم تصويره بواسطة النبض P ويظهر الصف السفلي نبضة N. يشير الخط المتقطع ذو اللون الأصفر إلى منطقة التضمين. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الحجم الكلي للفانتوم (مل) 50 100 250 500
DI الماء (مل) 37.5 74.9 187.4 375
40٪ محلول PA (مل) 12.5 25.1 62.6 125
السيليكا (ملغ) 100 200 500 1000
10٪ حل APS (ميكرولتر) 500 1000 2500 5000
تيميد (ميكرولتر) 62.5 125 312.5 625

الجدول 1: ملخص الكواشف وكميات التشابك الوهمي بولي أكريلاميد بناء على حجم العفن. يقدم هذا الجدول ملخصا موجزا لقيمة الكواشف المستخدمة والكميات بناء على العديد من أحجام القوالب الشائعة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

صوتنة التحقيق هي طريقة بسيطة نسبيا وسهلة التعلم لتصنيع PFCnDs. هناك بعض الخطوات التي يجب توخي الحذر فيها. عند التعامل مع الكلوروفورم ، من الضروري استخدام ماصة الإزاحة الإيجابية أو المحاقن الزجاجية ، لأنها متقلبة وسوف "تتسرب" من ماصات إزاحة الهواء القياسية. علاوة على ذلك ، في حالة استخدام إزاحة إيجابية ، تأكد من استخدام طرف مناسب لأن الكلوروفورم سيذيب معظم الأطراف البلاستيكية ، والتي يمكن أن تدخل الملوثات في المحلول. يوصى أيضا باستخدام ماصة الإزاحة الإيجابية أو المحقنة الزجاجية للبيرفلوروهكسان ، لأنها متطايرة وأكثر كثافة من الماء. عادة ، يمكن تقليل التأثيرات الفردية للتقلب والكثافة العالية عن طريق الترطيب المسبق في ماصات إزاحة الهواء واستخدام مقياس لضبط الحجم المحدد على الماصة ، على التوالي. ولكن في حالة مركبات الهكسان المشبع بالفلور التي تمتلك كلتا الخاصيتين، فإن التقلب سيجعل من الصعب الحصول على قياسات دقيقة للوزن، مما يجعل الماصة/حقنة الزجاج ذات الإزاحة الإيجابية هي الخيار الأكثر قابلية للتطبيق.

قبل التحقيق صوتنة الحل, من المهم لاحتضان محلول الدهون والبيرفلوروكربون في حمام جليدي للسماح له أن يبرد لمنع غليان المشبعة بالفلور أثناء صوتنة. ستكون هذه الخطوة مهمة بشكل خاص لانخفاض غليان البيرفلوروكربون مثل البيرفلوروبنتان. علاوة على ذلك ، يجب توخي الحذر عند التحقيق في صوتنة الحل. يجب غمر طرف مسبار الصوتنة ، لكن لا ينبغي أن يتلامس مع قاع أو جوانب القارورة الزجاجية لأنه قد يتلف الطرف ويحطم القارورة ، ويفرغ محلول الدهون في حمام الجليد.

يمكن تكييف بروتوكول تصنيع PFCnD بعدة طرق بسيطة. إذا لم يكن المبخر الدوار متاحا في الخطوة 1.3 ، فيمكن تجفيف المحلول بتيار مستمر من غاز النيتروجين أو وضعه في غرفة مفرغة طوال الليل لتشكيل كعكة الدهون. فيما يتعلق بالدهون ، تستخدم هذه الصيغة نسبة 9: 1 من DSPE-PEG: DSPC مقارنة بنسبة 1: 9 القياسية ل DSPE-PEG: DSPC ، لأنها تنتج قطرات مستقرة أصغر وأكثر حجما23. يمكن تكييف هذه التركيبة للسماح بالاقتران السطحي عن طريق استبدال جزء صغير (~ 2 مول٪) من DSPE-PEG ب DSPE-PEG وظيفي مع الجزء المطلوب (على سبيل المثال ، البيوتين ، الثيول ، الأمين ، إلخ).

بشكل عام ، تتوفر صوتيات المسبار تجاريا ، وسهلة الاستخدام نسبيا ، ويمكن تكييفها بسهولة مع مركبات الكربون المشبعة بالفلور الأخرى ذات نقطة الغليان الأعلى وتركيبات الفاعل بالسطح ، ولكن لا يمكن استخدامها لصنع قطرات ذات نوى مشبعة بالفلور كربون غازية في درجة حرارة الغرفة دون تعديلات كبيرة. أحد هذه التعديلات هو استخدام صوتنة المسبار لإنشاء فقاعات دقيقة ثم الضغط وتقليل درجة الحرارة لتكثيف الفقاعات الدقيقة إلى قطرات24. في حين أن هذه الطريقة هي طريقة ذكية لتوليد قطرات قابلة للتبخير صوتيا ، فمن الصعب تغليف صبغة كافية داخل الفقاعات الدقيقة لضمان ODV بعد التكثيف. هناك طريقة بديلة تتمثل في اقتران الصبغة (على سبيل المثال ، Cy7.5) بالدهون وتشكيل فقاعات دقيقة يمكن تكثيفها إلى نقطة غليان منخفضة قادرة على ODV PFCnDs25.

تنتج صوتنة المسبار أيضا تركيزا عاليا من القطرات النانوية (~ 1010 قطرات / مل) في فترة زمنية قصيرة نسبيا. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية تؤدي إلى توزيع كبير الحجم من شأنه أن يقلل من كمية القطرات النانوية التي ستتسرب. في حين أنه يمكن تحسين ذلك من خلال الترشيح بالطرد المركزي أو مرشحات المحاقن لإزالة قطرات أكبر ، فإن PFCnDs الناتجة ستظهر تعدد أكبر مقارنة بالقطرات التي يتم تصنيعها باستخدام الموائع الدقيقة أو التي يتم ترشيحها من خلال البثق26. عيب آخر لصوتنة التحقيق هو أن طرف مسبار صوتنة سوف تصبح حتما من التجويف أثناء صوتنة وسوف تحتاج إلى استبدالها بشكل دوري.

يستخدم النهج البديل لإنشاء القطرات أجهزة الموائع الدقيقة التي يمكن استخدامها لتخصيص القطرات لحجم معين مع مؤشر تشتت منخفض (PDI). ومع ذلك ، تنتج هذه الأجهزة قطرات بمعدل بطيء نسبيا (~ 104-10 6 قطرات / ثانية)26 ، وبينما كانت هناك العديد من التطورات مثل استحلاب الخطوة 27 ، وتدفق الطرف في أجهزة تركيز التدفق28,29 ، واستخدام تأثير الأوزو مع خلاط متعرج متعرج متداخل30 - لا يزال توليد قطرات نانوية الحجم يمثل تحديا. علاوة على ذلك ، هذه التقنية غير متوفرة تجاريا ، ويتطلب تصنيع هذه الأجهزة خبرة متخصصة.

تشمل الطرق الأخرى المتاحة تجاريا البثق والتجانس. يستخدم البثق الأغشية لتمرير القطرات من خلالها ، مما ينتج عنه قطرات بحجم النانو مع نطاق حجم أضيق مقارنة بالصوتنة. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تعتمد بشكل كبير على التركيبة وتمثل تحديا لدمج الصبغة أو البضائع العلاجية داخل القطرة26. يستخدم التجانس عالي الضغط المجانسات المتاحة تجاريا والتي تستخدم الضغط العالي وإجهاد القص لتوليد جزيئات دهنية أحادية الانتشار ونانوية بطريقة قابلة للتطوير31،32،33. تم تكييف هذه الطريقة لإنشاء قطرات ذات درجة غليان عالية ومنخفضة مركبات الكربون المشبعة بالفلور32,34. يمكن العثور على مراجعة أكثر جوهرية لطرق صياغة القطيرات وبروتوكولات العينات في المراجعة التالية26.

الأشباح هي أداة قيمة لتوصيف أداء القطرات النانوية في المختبر. في هذا البروتوكول ، يتم استخدام الأشباح القائمة على بولي أكريلاميد مع السيليكا. ترتبط المشكلات الأكثر شيوعا مع أشباح بولي أكريلاميد ببلمرة بطيئة أو معدومة. البلمرة البطيئة ، على الرغم من أنها أقل إشكالية ، يمكن أن تؤدي إلى توزيع غير متجانس للتشتت المضمن. السبب الأكثر شيوعا لهذه المشكلة هو استخدام الحلول القديمة من بيرسلفات الأمونيوم التي تقلل من إنتاج الجذور الحرة التي تبدأ التشابك. يمكن معالجة ذلك بسهولة عن طريق جعل الحل جديدا أو عدم استخدام حلول معدة أقدم من أسبوع واحد. الاحتمال الآخر هو تدهور TEMED - سيكون هذا واضحا في تكوين راسب أصفر. إحدى المشكلات الشائعة الأخرى هي وجود فقاعات هواء في الشبح المبلمر. يجب أن يؤدي التفريغ السليم للمياه والمعالجة الدقيقة لتجنب الهياج السطحي الزائد إلى التخفيف من هذه المشكلة. تتمثل الإستراتيجية البديلة في إزالة الغاز من الحل بالكامل بعد الخطوة 2.5. ومع ذلك ، ينبغي أن يتم ذلك في غطاء الدخان بسبب وجود مادة الأكريلاميد.

هذه الأشباح ممتازة أيضا لتصوير سلوك القطرات المقيدة لدراسة سلوك القطيرات الفردية. يمكن القيام بذلك عن طريق إضافة PFCnDs إلى الشبح في الخطوة 2.4. علاوة على ذلك ، نظرا لأن التشابك ناتج عن تفاعل كيميائي ، يتم إنتاج حرارة قليلة نسبيا مقارنة بالتشابك الفيزيائي بناء على درجة حرارة المحلول الحرجة العليا مثل الجيلاتين. هذا يقلل من احتمال التبخير التلقائي للقطرات المدمجة.

في حين أن هناك مجموعة متنوعة من الطرق لتوليف الأشباح ، فإن بولي أكريلاميد ينتج شبحا متينا نسبيا وغير قابل للتحلل يمتلك توهينا صوتيا منخفضا35 ومعامل امتصاص بصري36. يمكن ضبط هذه الخصائص لتقليد الخصائص الصوتية والبصرية للأنسجة البشرية عن كثب عن طريق ضبط تركيز محلول بولي أكريلاميد النهائي ومن خلال إدراج الجسيمات في الشبح مثل السيليكا أو الخرز الزجاجي أو ثاني أكسيد التيتانيوم36. وعلاوة على ذلك، يمكن تعديل الخواص الميكانيكية للأشباح عن طريق تعديل النسبة المئوية لمحتوى البوليمر (أي النسبة المئوية للأكريلاميد وثنائي (الأكريلاميد)) والنسبة المئوية للتشابك (أي النسبة المئوية للمكرر (الأكريلاميد) في إجمالي محتوى البوليمر)37. تشمل الأشباح البديلة على سبيل المثال لا الحصر أجار38 ، جيلاتين39 ، كحول بولي فينيل (PVA) 40 ، إلخ.

الخطوات الحاسمة للتصوير الناجح لتوزيع PFCnD المنشط وديناميكيات فرط الحمل هي كما يلي. 1) مزامنة نظام الليزر (مصدر التنشيط) ونظام التصوير بالموجات فوق الصوتية. 2) قم بمحاذاة المقطع العرضي بالليزر مع كل من المنطقة المستهدفة ذات الاهتمام ومع مستوى التصوير بالموجات فوق الصوتية. 3) ضبط معلمات التصوير بالموجات فوق الصوتية المناسبة لتصوير PFCnD (أي معدل الإطارات ، شكل موجة النبض ، إلخ).

يتمتع التنشيط البصري ل PFCnD بميزة ملحوظة على تلك التي يتم تنشيطها صوتيا حيث يمكنه التهرب من التداخل الصوتي الذي يؤدي إلى تدهور جودة صورة الموجات فوق الصوتية بشكل كبير مع مراقبة مرحلة التكثيف في الوقت المناسب. ومع ذلك ، من الصعب دمج نظام الليزر ومواءمته مع نظام التصوير بالموجات فوق الصوتية مكانيا وزمانيا. يسمح استخدام حامل مطبوع 3D بتوصيل الضوء القابل للتكرار والتحكم فيه. يمكن أيضا استكشاف أخطاء توصيل الضوء وإصلاحها عن طريق إدخال قضيب معدني في التضمين في شبح بولي أكريلاميد حيث يجب أن ينتج القضيب المعدني تباينا صوتيا ضوئيا للإشارة إلى توصيل الضوء. تم تحقيق التزامن الزمني من خلال بناء منصة20 تم تطويرها مسبقا ، والتي تسمح بمزامنة نظام الليزر والتصوير مع الحفاظ على قابلية البرمجة الكاملة لنظام تصوير Verasonics مع واجهة سهلة الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر البرنامج تصويرا تقليديا في الوقت الفعلي للوضع B وتصويرا صوتيا ضوئيا للمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها وتحديد المنطقة محل الاهتمام حيث يتم توزيع PFCnDs. ومع ذلك ، يتطلب هذا الإعداد ليزر نبضي نانوثانية خارجي. حاليا ، على حد علمنا ، هناك عدد قليل من الأنظمة التجارية التي لديها أنظمة تصوير بالموجات فوق الصوتية بالليزر مدمجة قد تسمح بتصوير PFCnD ، على سبيل المثال ، Visualsonics (Vevo LAZR و Vevo LAZR-X و Vevo 3100 و Vevo F2) و Endera Nexus 128 و iTheraMedical (insight 64 و inVision 128 و inVision 256-TF و inVision 512-echo).

التصوير بالموجات فوق الصوتية فائقة السرعة لسلوك التبخير والتكثيف ل PFCnD يعاني بشكل أساسي من حساسية منخفضة. في حين أن معظم الحلول الشائعة لتحسين حساسية الصورة تشمل التركيب متعدد الإطارات ، فإن هذه التقنيات محدودة بسبب خصائصها المتأصلة في تدهور معدل الإطارات ، نظرا لأن تصوير PFCnD ضعيف للغاية بالنسبة للقطع الأثرية المتحركة من حيث أنه يتضمن عملية تفاضلية زمنية. يعالج تعديل قطبية النبض في بروتوكولنا هذه المشكلة بشكل فعال في تصوير PFCnD من خلال الاستفادة من الديناميكيات الصوتية ل PFCnDs المتبخرة للحصول على صورة أكثر تمييزا وأطول مع عدم التأثير على الدقة الزمنية على الإطلاق.

بينما يسمح ODV بالقطرات ذات القدرات الفريدة مثل التبخير المتكرر والتباين الصوتي الضوئي ، فإن طريقة التنشيط لها اختراق محدود للعمق مقارنة بالموجات فوق الصوتية. نظرا لأن اختراق الضوء محدود ، فإن هذا يقصر التطبيقات على الإجراءات السطحية بشكل أساسي مثل استبدال خزعة العقدة الليمفاوية الخافرة41. يمكن تجاوز هذا القيد من خلال أنظمة توصيل الضوء القائمة على القسطرة ، مما يسمح بالتنشيط العميق في الأنسجة. نظرا لأن التباين صوتي ، فسيكون من الممكن تصوير التبخير بعمق مماثل ل ADV. قد تكون تقنية التنشيط البديلة هي تبخير القطيرات المغناطيسية ، حيث يتم تغليف عوامل التباين المغناطيسي مثل جسيمات أكسيد الحديد النانوية داخل القطرة42. سيسمح ذلك بالتبخير في أي عمق.

في المستقبل ، يمكن استخدام قدرة بروتوكولنا على تصوير وتعديل الاستجابة المفرطة ل PFCnD في نفس الوقت في العديد من التطبيقات التي تتطلب مراقبة ومعالجة PFCnD. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي الوقت الأطول القابل للاكتشاف إلى تحسين جودة الصورة للتصوير فائق الدقة من خلال إعطاء عدد أكبر من الإطارات إلى المتوسط. علاوة على ذلك ، فإن التحكم الأكثر دقة في PFCnD لديه القدرة على رفع كفاءة وسلامة العلاجات بوساطة الفقاعات مثل فتح BBB وتوصيل الدواء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

تم دعم العمل جزئيا من قبل مؤسسة أبحاث سرطان الثدي بموجب منحة 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

الهندسة الحيوية ، العدد 173 ، الموجات فوق الصوتية ، قطرات نانوية مشبعة بالفلور كربون ، قطرات نانوية ، عوامل تباين ، مستحلب ، جسيمات نانوية ، صوتي ضوئي ، تغيير الطور
صياغة وتعديل صوتي للقطرات النانوية المشبعة بالفلور الكربون المتبخرة بصريا
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