Controlável nucleação de cavitação de nanopartículas de ouro plasmônico para reforçar a alta intensidade focada aplicações de ultra-som

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de ultrassom focado em alta intensidade, como a cavitação nucleada de ultrassom a laser ser usada para orientar, e também melhorar os tratamentos de câncer HIFU. A principal vantagem dessa técnica é que através da combinação de nanopartículas, HIFU e iluminação a laser, ela pode superar as limitações de cada uma dessas modalidades por si só. Fabricar fantasmas para demonstrar o método de nucleação.

Comece com água desalionizada, desagasto, temperatura ambiente em um copo de vidro. Além disso, prepare 40% de peso por solução de acrilamida/bis-acrilamida em volume. Adicione a solução à água, seguida de um tampão, e persulfito de amônio.

Coloque o béquer dentro de uma câmara de vácuo situada em uma placa de agitador magnético. Adicione uma barra de agitação magnética PTFE de 40 milímetros de comprimento ao béquer e mexa a velocidade média. Adicione lentamente pó de albumina de soro bovino.

Quando terminar, feche a câmara de vácuo e inicie a bomba de vácuo. Mantenha o vácuo de destino e continue mexendo por 60 minutos. Em seguida, solte o vácuo e continue trabalhando com a solução.

Adicione nanopartículas para fantasmas que as requerem. Para todos os fantasmas, adicione o catalisador. Após cinco minutos de mistura, despeje a solução em moldes individuais e espere 20 minutos.

Este é um exemplo de um fantasma que é definido e removido do molde. Está pronto para usar no experimento. Uma vez que os fantasmas estejam prontos, armazene os fantasmas deformados em um recipiente hermético.

Para produzir um fantasma de alinhamento, comece com a solução fantasma. Coloque o béquer e mexa em uma câmara de vácuo em um agitador magnético. Comece a mexer em velocidade média e bombeie a câmara até o vácuo alvo.

Depois de recuperar a solução, despeje 25 mililitros em um molde e adicione o catalisador. Espere 20 minutos antes de colocar um alvo de metal esférico de um milímetro no centro do fantasma. Em seguida, despeje outros 25 mililitros da solução fantasma no molde.

Adicione o catalisador e espere mais 20 minutos. Quando definido, o fantasma de alinhamento está pronto para uso ou armazenamento em um recipiente hermético. Prepare a configuração para o experimento.

Para isso, tenha um reservatório de água acrílica com 4,5 litros de água desomugada e desafogada. Em uma extremidade do tanque, coloque um absorvedor acústico. Em seguida, volte a atenção para o transdutor de ultrassom focado em alta intensidade.

Monte-o e é hidrofone de banda larga co-alinhado em um estágio de micrometro de três eixos. Submergir completamente o transdutor e o hidrofone no tanque para enfrentar o absorvente. Conecte o transdutor a um circuito de correspondência de impedância que permitirá que ele seja conduzido em seu terceiro harmônico.

Este circuito está conectado diretamente à saída de um amplificador de energia RF, que tem um gerador de função digital como sua entrada. O gerador de funções é programado remotamente. Após a calibração, obtenha um fantasma de alinhamento para continuar a configurar.

O fantasma deve estar em um suporte impresso em 3D e montado em um estágio 3D automatizado. Posicione o fantasma para que o alvo magnético esteja no pico focal aproximado do transdutor. Agora, conecte o hidrofone diretamente ao cartão de aquisição de dados.

Use o transdutor e o hidrofone para pulsar ecolocate o alvo de alinhamento. Envie um microssegundo, uma rajada de 10 ciclos e visualize o sinal detectado em tempo real no computador. Ajuste o estágio do micrômetro do transdutor para alterar a hora do voo e a amplitude do sinal.

O sistema é alinhado uma vez que o tempo de voo é de 85 microsegundos e a amplitude do sinal é maximizada. Em seguida, conecte o hidrofone de banda larga diretamente a um filtro de cinco mega-hertz high-pass. Envie o sinal através de um pré-amplificador de 40 decibéis e, em seguida, para um cartão de aquisição de dados.

Agora, configure a iluminação a laser para a amostra. Sincronize um laser de pulso de 532 nanômetros com o gerador de função por um gerador de pulso de atraso digital TTL. Use o laser para bombear um oscilador paramétrico óptico.

Acople sua saída no fantasma com um feixe de fibra de dois milímetros. No tanque, monte esta fibra em um estágio de micrômetro. Posicione a fibra na frente do fantasma em um ângulo de 45 graus a partir do eixo acústico.

Para alinhamento, use luz visível. Posicione o feixe para ter o alvo de alinhamento no centro de um ponto laser de 15 milímetros. Finalmente, posicione um microscópio digital e uma fonte de luz branca em lados opostos do reservatório de água.

Monte o microscópio em um estágio de micrômetro. Posicione-o para ter o alvo de alinhamento em foco em seu campo de visão. Certifique-se de que o fantasma correto está no lugar.

Neste caso, o fantasma do tecido apropriado substitui o fantasma de alinhamento. Sintonize o comprimento de onda laser na ressonância de plasmon superficial da nanopartícula. No computador de controle, defina o transdutor para produzir uma explosão de 10 ciclos, e para definir a fluência a laser.

O alvo do pico focal do ultrassom focado em alta intensidade estourou 10 milímetros de profundidade e em 13 locais únicos na direção vertical espaçados por cinco milímetros. Certifique-se de que um fantasma de tecido está no lugar no tanque. Em seguida, com o software, defina os parâmetros de fluência e exposição contínua de ondas.

Use o microscópio para registrar a formação de lesões térmicas, pois o ultrassom focado em alta intensidade com um pico de pressão negativa escolhido é direcionado para um local. Estes dados são tensão detectora versus tempo para exposição de ultrassom focada em curto e de alta intensidade para diferentes fantasmas em diferentes condições. Nesses conjuntos de dados, os fantasmas também foram expostos à iluminação a laser.

No entanto, um fantasma não tinha nanorods e um fantasma tinha. Nesses conjuntos de dados, ambos os fantasmas tinham nanorods, mas um foi exposto à iluminação laser e o outro fantasma não. Isso demonstra que as emissões de banda larga são detectadas apenas quando nanopartículas, exposição ao ultrassom e iluminação a laser estão presentes.

Este vídeo de microscópio fornece um exemplo da formação de lesões térmicas e de cavitação em um fantasma de gel com nanorods expostos a ultrassom focado em alta intensidade e iluminação laser. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de usar equipamentos de proteção individual adequados ao manusear os produtos químicos e garantir que a proteção ocular correta seja usada ao usar o laser. Após seu desenvolvimento, essa técnica poderia abrir caminho para pesquisadores do campo da ultrassonografia focada em alta intensidade explorarem o uso de nanopartículas moleculares direcionadas para melhorar os tratamentos de câncer através de ablações térmicas direcionadas e rápidas.