Method Article

Рецептура и акустическая модуляция оптически испаренных перфторуглеродных нанокапель

DOI:

10.3791/62814

⸱

July 16th, 2021

 ,  , 
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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Оптически активированные перфторуглеродные нанокапли показывают многообещающие результаты в приложениях визуализации за пределами сосудистой системы. В этой статье будет показано, как синтезировать эти частицы, сшивать полиакриламидные фантомы и модулировать капли акустически для усиления их сигнала.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Микропузырьки являются наиболее часто используемым контрастным веществом для визуализации в ультразвуке. Однако из-за своих размеров они ограничены сосудистыми компартментами. Эти микропузырьки могут быть конденсированы или сформулированы в виде перфторуглеродных нанокапель (PFCnD), которые достаточно малы, чтобы экстравазироваться, а затем акустически запускаться в целевом месте. Эти наночастицы могут быть дополнительно усилены путем включения оптического поглотителя, такого как органический краситель ближнего инфракрасного диапазона или наночастицы (например, наночастицы сульфида меди или наночастицы золота / наностержни). Оптически помеченные PFCnD могут быть испарены с помощью лазерного облучения в процессе, известном как оптической капельной испарение (ODV). Этот процесс активации позволяет использовать перфторуглеродные сердечники с высокой температурой кипения, которые не могут быть акустически испарены при максимальном пороге механического индекса для диагностической визуализации. Сердечники с более высокой температурой кипения приводят к образованию капель, которые будут восстанавливаться после испарения, что приводит к «миганию» PFCnD, которые кратковременно производят контраст после испарения, прежде чем конденсироваться обратно в форму нанокаплей. Этот процесс может быть повторен для создания контраста по требованию, что позволяет получать фоновые изображения, мультиплексирование, сверхразрешение и усиление контрастности с помощью оптической и акустической модуляции. В этой статье будет показано, как синтезировать оптически активируемые PFCnD липидной оболочки с использованием зондовой обработки ультразвуком, создавать полиакриламидные фантомы для характеристики нанокаплей и акустически модулировать PFCnD после ODV для улучшения контраста.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Микропузырьки являются наиболее распространенным ультразвуковым контрастным веществом благодаря своей биосовместимости и отличной эхогенности по сравнению с мягкими тканями. Это делает их ценными инструментами для визуализации кровотока, разграничения органов и других приложений1. Однако их размер (1-10 мкм), что делает их исключительными для визуализации на основе их резонансной частоты, ограничивает их применение сосудистой системой2.

Это ограничение привело к разработке PFCnD, которые представляют собой наноэмульсии, состоящие из поверхностно-активного вещества, заключенного вокруг жидкого перфторуглеродного ядра. Эти наночастицы могут быть синтезированы при размерах до 200 нм и предназначены для использования «протекающих» сосудов или пор и открытых фенестрации, обнаруженных в сосудистой системе опухоли. Хотя эти нарушения зависят от опухоли, эта проницаемость позволяет экстравазировать наночастицы от ~ 200 нм до 1,2 мкм в зависимости от опухоли 3,4. В своей первоначальной форме эти частицы практически не производят ультразвукового контраста. При испарении - индуцированном акустически или оптически - фаза ядра изменяется из жидкой в газообразную, вызывая двукратное- пятикратное увеличение диаметра 5,6,7 и создавая фотоакустический и ультразвуковой контраст. Хотя акустическая испарение является наиболее распространенным методом активации, этот подход создает акустические артефакты, которые ограничивают визуализацию испарения. Кроме того, большинство перфторуглеродов требуют сфокусированного ультразвука с механическим индексом, превышающим порог безопасности для испарения8. Это привело к разработке PFCnD с более низкой температурой кипения, которые могут быть синтезированы путем конденсации микропузырьков в нанокапли9. Однако эти капли более летучи и подвержены спонтанному испарению10.

Оптическая капельная испарение (ODV), с другой стороны, требует добавления оптического триггера, такого как наночастицы11,12,13 или краситель 6,14,15, и может испарять перфторуглероды с более высокой температурой кипения с использованием флюенсов в пределах предела безопасностиANSI 11. PFCnD, синтезированные с ядрами с более высокой температурой кипения, более стабильны и будут восстанавливаться после испарения, что позволяет получать фоновые изображения16, мультиплексирование17 и сверхвысокое разрешение18. Одним из основных ограничений этих методов является тот факт, что PFCnD с высокой температурой кипения являются эхогенными после испарения только в течение короткого периода времени, в масштабемиллисекунд 19, и являются относительно слабыми. Хотя эта проблема может быть смягчена путем повторных испарений и усреднения, обнаружение и разделение капельного сигнала остается проблемой.

Черпая вдохновение из инверсии импульса, продолжительность и контраст могут быть увеличены путем изменения фазы ультразвукового импульсавизуализации 19. При запуске импульса ультразвуковой визуализации с фазы разрежения (n-импульса) увеличивается как продолжительность, так и контрастность испарившихся PFCnD. Напротив, запуск ультразвуковой визуализации импульса с фазой сжатия (p-импульс) приводит к снижению контрастности и сокращению продолжительности. В этой статье будет описано, как синтезировать оптически активируемые перфторуглеродные нанокапли, полиакриламидные фантомы, обычно используемые в визуализации, и продемонстрировать усиление контрастности и улучшенную долговечность сигнала с помощью акустической модуляции.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Перфторуглеродная нанокаплевая формула

  1. Промыть хлороформом колбу круглого дна объемом 10 мл и промыть хлороформом газонепроницаемый стеклянный шприц объемом 10 мкл и 1 мл, многократно аспирируя весь объем шприца и выталкивая его в общей сложности три раза.
    ВНИМАНИЕ: Хлороформ летучий и может быть токсичным при вдыхании. Все работы с этим растворителем должны выполняться в вытяжном шкафу.
  2. Используя шприцы, добавьте 200 мкл DSPE-mPEG2000 (25 мг/мл), 6,3 мкл 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина (DSPC, 25 мг/мл) и 1 мл IR 1048 (1 мг/мл в хлороформе) в колбу с круглым дном. Не забудьте очистить шприцы между липидами / красителем, чтобы предотвратить загрязнение запаса.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Инфракрасные красители чувствительны к свету, и работа должна выполняться в тусклых условиях или колбы должны быть покрыты алюминиевой фольгой.
  3. Удалите растворитель с помощью ротационного испарителя. Убедитесь, что вакуум медленно регулируется до 332 мбар, чтобы предотвратить столкновение. Через 5 мин уменьшите давление до 42 мбар, чтобы удалить любую воду, которая могла попасть в раствор.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Липидный пирог можно хранить в течение ночи в колбе с круглым дном, покрытой парапленкой при температуре 4 °C.
  4. Приостановить липидный жмых в 1 мл фосфатно-буферного физиологического раствора (PBS) и ультразвука или вихря при комнатной температуре в течение 5 мин или до тех пор, пока весь липидный пирог не будет суспендирован и растворен в растворе. Соникировать в течение дополнительных 2 мин для гомогенизации раствора.
  5. Переложите раствор в стеклянный флакон объемом 7 мл и поместите флакон в стеклянную посуду, наполненную льдом, чтобы дать раствору остыть в течение 5 мин, прежде чем добавить 50 мкл перфторгексана с использованием газонепроницаемого стеклянного шприца. Не забудьте промыть шприц перфторгексаном, прежде чем раздавать его во флакон.
  6. Поместите стеклянный флакон, содержащий липиды и ледяную ванну, в корпус зонда и погрузите наконечник зонда под миниск. Убедитесь, что боковые стороны зонда ультразвукового аппарата не касаются губы стеклянного флакона.
  7. Зонд обрабатывает смесь ультразвуком со следующими настройками: Амплитуда 1, Время процесса: 20 с, Импульс-Вкл: 1с, Импульс-выкл: 5с. Затем обработка ультразвуком при следующих настройках: Амплитуда: 50, Время процесса: 5 с, Импульс включения: 1 с, Импульс выключен: 10 с.
  8. Переложите раствор нанокаплета в центрифужную трубку объемом 1,5 мл и центрифугу при 300 х г в течение 3 мин, чтобы отделить более крупные капли (>1 мкм) от более мелких капель.
  9. Выбросьте гранулу и перенесите супернатант в другую центрифужную трубку объемом 1,5 мл. Супернатант промыть центрифугированием при 3000 х г в течение 5 мин, чтобы гранулировать все капли в растворе. Повторно суспендируют PFCnD в 1 мл PBS путем пипетирования гранулы вверх и вниз, а затем обрабатывают ультразвуком в анализаторе ванны в течение 1 мин.
  10. Измерьте размер капель с помощью динамического рассеяния света (DLS). Разбавите запас ПХКН в 100 раз (10 мкл запаса ПХКН в 990 мкл ПБС) и внесите ультразвук для диспергирования ПХКН перед измерением. Репрезентативные результаты показаны на рисунке 1.
  11. Определение концентрации PFCnD с помощью анализатора отслеживания наночастиц (см. Таблицу материалов). Разбавьте PFCnD в 100-1000 раз, чтобы обеспечить точное измерение концентрации. Протокол обычно дает капли в концентрации порядка 1010 частиц/мл.
  12. Приготовьте 10 мл ультразвукового соединительного геля в центрифужной трубке объемом 50 мл и добавьте 1% (v/v) или 100 мкл PFCnD, чтобы получить раствор из ~108 частиц/мл. Вихрь раствора для смешивания. Центрифугируйте смесь при 4000 х г в течение 3 мин для удаления пузырьков.

2. Полиакриламидный фантомный препарат

  1. Разожгите воду, заполнив вакуумную колбу объемом 500 мл деионизированной водой объемом 400 мл, запечатайте резиновой пробкой и подключите колбу к вакуумной линии. Откройте вакуумную линию и погрузите дно колбы в анализатор ванны. Соник в течение 5 мин или до тех пор, пока не будет видно образования пузырьков газа.
  2. Готовят 10% раствор персульфата аммония (АФС), растворяя 500 мг в 5 мл дегазированной воды. Аккуратно закрутите раствор, если персульфат аммония не растворяется полностью.
  3. В стакан емкостью 400 мл с перемешивающим батончиком на перемешиваемой пластине добавляют 150 мл дегазированной воды и 50 мл 40% (мас./об.) раствора акриламид-бисакриламида с образованием 200 мл 10% раствора акриламид-бисакриламида. Перемешайте смесь со скоростью 200 об/мин, чтобы обеспечить правильное перемешивание без введения пузырьков.
    ВНИМАНИЕ: Акриламид является канцерогеном, и все работы должны выполняться в вытяжном капюшоне с перчатками, особенно при работе с акриламидом в виде порошка.
  4. Взвесьте 400 мг кремнезема и добавьте его в 10% раствор акриламида-бисакриламида со стадии 2.3 с образованием 0,2% (мас./об.) раствора кремнезема и акриламида.
    ВНИМАНИЕ: Кремнезем при вдыхании может быть канцерогеном. Все работы, включая взвешивание, должны выполняться в вытяжном шкафу.
  5. Подготовьте квадратную форму размером 58 мм x 58 мм x 78 мм с цилиндрическим включением, отрезав наконечники от пластиковой передаточной пипетки и подкрепив ее в форме лабораторной лентой. См. рисунок 2.
  6. Добавьте 2 мл 10% раствора APS в стакан, чтобы получить конечную концентрацию 0,1% APS и добавьте 250 мкл тетраметилэтилендиамина (TEMED) к фантомному раствору. Дайте раствору ненадолго перемешаться (менее мин).
  7. Быстро вылейте раствор в форму, при этом стараясь не вводить в раствор пузырьки воздуха. Раствор должен полимеризоваться в течение 10 мин. Удалите фантом, проведя плоским концом лабораторного шпателя по краю формы и перевернув форму.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти фантомы могут быть повторно использованы несколько раз и должны быть погружены в воду и храниться при 4 ° C.

3. Перфторуглеродная нанокаплетная визуализация

  1. Включите и прогрейте импульсную лазерную систему в течение ~ 20 минут, следуя инструкциям производителя. Убедитесь, что волоконно-оптический пучок правильно подключен к лазерному выходу, а две ножки правильно размещены в держателе пучка волокон.
  2. Включите систему ультразвуковой визуализации, подключите датчик массивной визуализации (L11-4v) к системе и зафиксируйте датчик внутри держателя, чтобы выровнять его плоскость изображения с лазерным сечением.
  3. Установите частоту повторения импульсов лазерной системы на 10 Гц и поместите измеритель мощности в конце пучка волокон для измерения энергии. Настройте задержку q-переключателя до тех пор, пока расчетная плавность не составит 70 мДж/см2.
    ВНИМАНИЕ: При стрельбе лазером необходимо носить соответствующие очки, а лазерные шторы должны закрывать пространство.
  4. Засыпьте один из каналов в полиакриламидном фантоме ультразвуковой смесью гель/PFCnD с помощью пластикового наконечника шприца объемом 1 мл. Обильно накройте верхнюю часть канала ультразвуковым гелем и удалите все пузырьки с помощью пластикового наконечника шприца объемом 1 мл. Поместите полиакриламидный фантом под датчик и пучок волокон, как показано на рисунке 3.
  5. Используйте комбинированную лазерную платформу визуализации ультразвука и эластичности (CLUE) на основе программного обеспечения20 для изображения PFCnD, синхронизированного с оптической активацией. Измените общие пользовательские параметры в структуре Param для визуализации: установите начальную / конечную глубину на 0/40 мм, центральную частоту на 6,9 МГц и имя преобразователя на «L11-4v».
  6. Определите новый RunCase и разработайте последовательность модулей для повторной оптической активации/реконденсации и визуализации PFHnD в США. Это делается путем перечисления предопределенных модулей, таких как сверхбыстрая визуализация (mUF), внешний лазер (mExtLaser) и неактивный (mIdle).
    1. Повторите набор последовательностей mExtLaser-mIdle-mUF-mExtLaser-mUF дважды, чтобы получить данные визуализации как n-импульса, так и p-импульса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Первый модуль mExtLaser в каждой последовательности устанавливается как фиктивный лазер путем установки ExtLaser.Enable на 0, и 'mIdle' включен для минимизации времени между фоновыми изображениями США и n/p-импульсными изображениями США после лазерной активации.
  7. Задайте параметры модуля для каждого модуля, помещенного в последовательность модуля текущего запуска. Доступ к каждому параметру модуля по индексу, соответствующему его порядку в последовательности модулей. Модули будут выполнять предопределенные операции с параметрами модуля, заданными пользователем здесь.
    1. Установите ExtLaser.QSdelay во внешних лазерных модулях на значение задержки лазерного Q-переключателя, настроенное на шаге 3.3, в микросекундах. Этот модуль ожидает срабатывания фонаря лазерной системы и генерирует триггер Q-переключателя после задержки, указанной в QSdelay.
    2. В модуле сверхбыстрой визуализации установите resource.numFrame равным 100, установите SeqControl.PRI значение 200 (μs) и установите TW.polarity равным 1 для P-импульса и -1 для N-импульса (см. рисунок 4 для соответствующей формы импульса). Этот модуль будет передавать сверхбыструю 0-градусную плоскую волну с типом импульса, указанным в TW.полярность.
      1. Получите окно изображения с полной диафрагмой шириной 38,8 мм для количества кадров в Resource.numFrame, интервал повторения импульсов SeqControl.PRI, а затем сохраните данные для автономной обработки.
    3. Установите SeqControl.lastPRI_Module в модуле простоя на промежуток времени между лазерными импульсами (100 мс), вычитаемый задержкой Q-переключателя, временем сбора данных изображения (20 мс) и запасом 20 мкс для прохождения сигнала. Этот модуль поддерживает систему в состоянии «без операции» в течение времени в SeqControl.lastPRI_Module , чтобы заполнить временной промежуток между окончанием сбора данных визуализации и следующим возбуждением лазерного импульса.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Успешная рецептура и центробежное разделение ПФУ должны давать капли диаметром около 200-300 нм (рисунок 1А). Неправильно разделенные капли могут показывать небольшие пики около 1 мкм. Эти растворы могут быть дополнительно обработаны ультразвуком для ванны, чтобы разбить более крупные капли. Размер капель будет увеличиваться с течением времени из-за объединения и/или диффузии в процессе, известном как созревание Оствальда21,22 (

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Зондовая обработка ультразвуком является относительно простым и легким в освоении методом изготовления PFCnD. Есть несколько шагов, где необходимо соблюдать осторожность. При обращении с хлороформом крайне важно использовать пипетку с положительным смещением или стеклянные шприцы, так как она летучая и будет «просачиваться» из стандартных пипеток с воздушным вытеснением. Кроме того, при использовании положительного смещения убедитесь, что используется соответствующий наконечник, так как хлороформ растворит большинство пл...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Работа была частично поддержана Фондом исследований рака молочной железы в рамках гранта BCRF-20-043.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Персульфат аммония (APS)VWR97064-592
1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолин (DSPC)Avanti Polar Lipids850365CЛипиды, их можно приобрести в виде суспензии в хлороформе или в виде порошка. Для длительного хранения лучше всего подходит порошковая форма, но более практична хлороформ.
1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[метокси(полиэтиленгликоль)-2000] (соль аммония) (DSPE-PEG)Avanti Polar Lipids880120CЛипиды, их можно приобрести в виде суспензии в хлороформе или в виде порошка. Для длительного хранения лучше всего подходит порошковая форма, но более практична хлороформ.
Акриламид: раствор бисаакриламида (19:1) 40% (мас./об.), OmniPur®VWREM-1300акриламида, нижняя концентрация/порошок
IR-1048Sigma405175Инфракрасный краситель
L11-4vVerasonics-ультразвуковойлинейный преобразователь
Microtip 1/8"Qsonica LLC4418микронаконечник для зонда соникатора
N, N, N′, N′ -Тетраметилэтилендиамин (TEMED)VWR97064-902Применяется для полимеризации полиакриламида путем образования свободных радикалов в присутствии персульфата аммония
Nova IIOphir-Spiricon7Z01550лазерный измеритель мощности
ПерфторгексанFluoromedAPF-60Mперфторуглерод жидкий
фосфатный буферный раствор (PBS) таблеткиVWR97062-732Таблетки используются для изготовления PBS
Q500Qsonica LLCQ500-110Зонд
СиликагельSigma-Aldrich2885002-25 μ m размер частиц
Tempest 30Исследование новых волн-Импульсная лазерная система
Vantage 128Verasonics-исследовательская система ультразвуковой визуализации
Zetasizer Nano ZSMalvern Instruments Ltd-Производит измерения размеров на основе динамического рассеяния света
раствор ультразвуковой

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Perfluorocarbon NanodropletsOptical Droplet VaporizationAcoustic ModulationUltrasound Contrast AgentsLipid Shell NanodropletsProbe SonicationDynamic Light ScatteringPolyacrylamide PhantomCentrifugal SeparationOstwald Ripening

Related Articles