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

1. tecido imitando fabrico fantasma Nota: Uma análise aprofundada das propriedades acústicas do fantasma tecido-imitando opticamente transparente usado para todas as exposições neste estudo pode ser encontrada em Choi, et al 24 Nota: Cada molde fantasma contém cerca de 50 mL de solução, e para cada lote de um total de cinco moldes são preenchidos. Assim, um total de 250 mL de solução de fantasma é preparado. Adicione 148,2 mL (60% v/v) de água deionizada, filtrada e desgaseificada para um copo de vidro de 500 mL e ir para equilibrar a temperatura ambiente. Adicione 75 mL de 40% (peso/volume) solução de acrilamida/Bis-acrilamida (30% v/v) para o copo de vidro, seguido de 25 mL de tampão TRIS de 1 M, pH 8 (10% v/v) e 2,15 mL de persulfato de amónio de 10% (APS; 0.86% v/v). Colocar o copo de vidro dentro de uma câmara de vácuo que situa-se num prato de agitador magnético e coloque um bar agitação magnética longa politetrafluoroetileno (PTFE) de 40 mm dentro do copo. Com uma média de velocidade de agitação (ou seja, garantir a boa mistura sem formação de vórtice na água), adicionar lentamente 22,5 g (9% w/v) de albumina de soro bovino (BSA) em pó. Uma vez que todos os BSA foi adicionado à solução, feche a câmara de vácuo e ligue a bomba de vácuo. Manter um vácuo de 80 mBar/H e continuar mexendo para uma mais 60 min, depois que liberação do vácuo. Neste ponto a solução deve ser clara, com uma ligeira coloração amarela. A metodologia acima é o mesmo para fantasmas feitas com e sem nanopartículas. Se as nanopartículas são necessárias, adicionar 10 µ l (concentração de 1 x 108 np/mL) de nanorods que têm uma ressonância de plasmon de superfície (SPR) em 850 nm e um diâmetro de 40 nm. Finalmente, adicione 125 µ l de tempted (TEMED) para catalisar a polimerização do fantasma. Esperar uma mais 5 min para permitir a mistura, em seguida, despeje a solução fantasma 5 moldes individuais e esperar 20 min para definir. Uma vez definido, removê-los de titulares e armazenar em um recipiente hermético até o uso. Use os phantoms no prazo de 24 h de fabrico. 2. calibração de transdutores HIFU campo livre pressão acústica Nota: Esta seção do protocolo não é necessária antes de todas as experiências de maciços/imagens. É um procedimento de calibração a ser executada em intervalos regulares para garantir a saída acústica do sistema está correto. Encha um tanque de água de acrílico (280 x 141 x 132 mm) com 4,5 L de água deionizada e desgaseificada. Monte o transdutor HIFU em um post de posição fixa das extremidades do tanque, virada para dentro. Paralela a esta, monte uma calibrada (interpretada por laboratórios nacionais física) hidrofone de membrana para um palco de três eixos micrômetro manual no ponto focal aproximado do transdutor HIFU (63 mm). Conectar o transdutor HIFU (geométricas foco 63 mm) para o circuito de impedâncias, então amplificador de potência (como mostrado na Figura 1). Em seguida, conecte o hidrofone de membrana diretamente ao sistema de aquisição de dados, garantindo que um sinal de gatilho é fornecido a partir do gerador de função ligado ao amplificador de potência (Figura 1). Definir a tensão de saída do gerador de função para 30 mV, com uma onda de seno de 3,3 MHz 10 ciclo em uma frequência de repetição do pulso de 100 Hz. Usando o software de medição (consulte a Tabela de materiais) para visualizar o sinal acústico detectado e o estágio de micrômetro, posicione o pulso acústico detectado no momento correto de voo (42,5 µm). Usando apenas uma única direção radial em um momento no palco micrômetro, maximize o sinal acústico detectado. Confiante, que isto foi conseguido, uma vez que fechar o software e deixar o hidrofone de membrana em sua posição atual. Varia a tensão de saída do gerador de função, de 20-400 mV em incrementos de 20 mV. A tensão de cada nível e usando o software de aquisição de MatLab, registro o hidrofone sinaliza. Adquirir 100 pulsos em cada nível e converter dados de tensão de pressão usando os dados de calibração fornecido. Média dos dados e medir tanto os pico valores positivos e negativos para todos os níveis de tensão de saída. Isto dá os dados de calibração para a pressão negativa de pico de campo livre ser usado para ambos o pulso e continua onda de estudos. 3. Configurando o aparato Experimental para ambos os estudos de onda pulsada e contínua Encha um tanque de água de acrílico (280 x 141 x 132 mm) com 4,5 L de água deionizada e desgaseificada. Monte o transdutor HIFU e o hidrofone banda larga co alinhado para um palco de micrômetro manual de três eixos. Em seguida, totalmente mergulhe o transdutor e o hidrofone na caixa d’água. Um esquema disto é mostrado na Figura 1. Conecte o transdutor HIFU para um circuito de impedâncias, para habilitá-lo para ser conduzido em sua terceira harmônica (3,3 MHz). Este circuito é conectado diretamente à saída de um amplificador de potência de RF. Um gerador de funções digital é conectado à entrada do amplificador de potência e programado remotamente. Antes de exposições em material fantasma, use um hidrofone calibrado membrana diferencial para medir a pressão de pico negativo gerada a partir deste sistema para uma determinada tensão de entrada do gerador de função, conforme descrito em 2. Use estes valores de tensão de referência para definir o nível de pressão necessária sobre o gerador de função digital. Conectar o hidrofone de banda larga (geométricas foco 63 mm) que ocupa a abertura central do transdutor HIFU diretamente para um filtro de alta frequência de 5 MHz. Em seguida, conectá-lo a uma placa de aquisição de 14 bits de dados (DAQ) através de um pré-amplificador de 40 dB. Certifique-se de que o filtro passa-alto é ligado com a polarização correta.Nota: Este cartão foi instalado em um PC desktop e é usado para controlar todo o hardware (exemplos este software pode ser encontrado como arquivos suplementares) e salvar os dados para processamento off-line durante este estudo. Conecte um gerador de pulso do transistor-transistor logic (TTL) delay digital com cabos de baioneta Neill-Concelman (BNC), ambos no pulso de laser sistema e função gerador para garantir a sincronização entre estes sistemas, que irá garantir que o 7 ns laser pulso é coincidente na região alvo durante o pico de rarefação quarto desde o transdutor HIFU. Usando o método descrito em 1, omita o BSA e nanopartículas para fazer um alinhamento fantasma, que é o material padrão fantasma que contém um destino esférica metálica 1 mm (um rolamento de esferas). Para esse efeito, despeje 25 mL de material fantasma em um molde e adicionar o catalisador TEMED 62,5 µ l e esperar cerca de 20 min para definir. Em seguida coloque o alvo metálico centralmente no fantasma e adicionar 25 mL de solução fantasma seguida o catalisador TEMED 62,5 µ l e um 20 min mais esperar. Coloque o alinhamento fantasma no titular impressos em 3D6, montar em um cenário 3D automatizado e aproximadamente a posição para que o alvo metálico está no auge do transdutor HIFU focal. Usando o transdutor HIFU para enviar uma curta duração ciclo 10 estourar (3 µs) e o hidrofone para receber (conectados diretamente à placa de DAQ), a posição em relação à meta alinhamento é otimizada através da localização do pulso-eco. O tempo real detectado sinal será exibido no computador. Ajuste o tempo de voo e sinal de amplitude usando o palco do micrômetro manual o transdutor HIFU e hidrofone montado sobre. Uma vez que o tempo de voo é definido como 85 µs (uma única ida e volta) e a amplitude do sinal tem sido maximizada em ambas as direções radiais, este sistema será alinhado. Casal da energia ótica do oscilador óptico paramétrico (OPO) bombeado pelo laser pulsado nanossegundos de 532 nm para o fantasma usando um feixe de fibras de 2 mm. Monte esta fibra em uma segunda fase de micrômetro e posição em um ângulo de 45º a partir do eixo acústico na frente o fantasma (Figura 1). O comprimento de onda da luz do laser é definido a 680 nm para ser visível para o alinhamento. Visível, uma vez que colocar a iluminação do laser com o estágio de micrômetro forma o destino de alinhamento é central em um ponto de laser de diâmetro de 15 mm. Posicione o microscópio digital de x 20-90 (trabalhando 90 milímetros de distância) e uma fonte de luz branca em lados opostos da caixa d’água perpendicular ao plano de propagação do transdutor HIFU. O microscópio é montado em um palco pequeno micrômetro. Posição tal que o alinhamento metálico alvejado é central e em foco no seu campo de visão (5 x 6 mm).Nota: Após a conclusão do procedimento acima, todos os elementos deste sistema (HIFU transdutor, hidrofone, iluminação laser e microscópio) são agora co alinhados para um local específico. O fantasma de alinhamento agora pode ser substituído com os phantoms imitando tecido usados para o estudo. Como o fantasma está montado em um suporte ligado a um sistema de posicionamento 3D, diferentes regiões podem ser direcionadas, mantendo o alinhamento. 4. cavitação limite de deteção de HIFU pulsada exposições Nota: O procedimento a seguir é o mesmo para os phantoms com ou sem nanopartículas e deve ser repetido três vezes. Certifique-se de que o sistema PCD é conectado após ser desconectado durante o procedimento de alinhamento descrito em 3,8 e ajustar o comprimento de onda do laser para o SPR das nanopartículas. Usando um programa de controle personalizado, defina o gerador de função para produzir uma explosão HIFU 10 ciclo (3 µs), que é sincronizada com o sistema de laser. Também use este programa para definir uma fluência do laser de 0.4, 1.1, 2.1 ou 3,4 mJ/cm2 , embora mudando o sincronismo entre o acionamento do alarme o acendimento da lâmpada de flash e Q-switch abertura no sistema do laser. Alvo do pico focal do sistema de HIFU 10mm profundamente o fantasma e em 13 locais exclusivos, espaçadas por 5mm, na direção vertical. Em cada um desses locais realizar uma exposição em uma pressão negativa de HIFU pico único, com as fluências de quatro laser indicadas no ponto 4.2. Uso a gama de pico negativo pressões de 0, 0.91, 1.19, 1,43, 1,69, 1,92, 2.13, 2.34, 2,53, 2.71, 2.83, 3,00 e 3,19 MPa para as seguintes condições de exposição: a laser em um fantasma livre de nanopartículas, laser em um fantasma de nanopartículas e do laser em uma nanopartícula fantasma. Para simular um laser ‘farsa’ exposição, executar o sistema como descrito, mas fecha o obturador manual na saída da OPO. Esta abordagem garantirá que qualquer ruído de RF gerado ainda estará presente no sistema de PCD. Todas as configurações e posições de exposição ao programa de controle do programa e, em seguida, execute para executar estas medições. Dados PCD são digitalizados e armazenado diretamente usando o cartão de aquisição de dados para pós-processamento. Para cada parâmetro de exposição, 500 repetir as exposições são adquiridos6. Processar as emissões em banda larga, detectadas pelo sistema PCD através de exposições HIFU de curta duração para os fantasmas utilizando a técnica detalhada por McLaughlan et al (2017) 6. 5. térmica desnaturação de onda contínua HIFU exposições Nota: O procedimento a seguir é o mesmo para os phantoms com ou sem nanopartículas e foram repetidas três vezes. Defina o sistema de laser para dar uma fluência de 3,4 mJ/cm2 e o gerador de função para dar uma exposição CW (cada explosão de 330.000-ciclo é sincronizado a um pulso de laser). Em 11 locais exclusivos no fantasma, selecione uma pressão negativa de pico de 0.20, 0,62, 0.91, 1.19, 1,43, 1,69, 1,92, 2.13, 2.34, 2,53 ou 2,71 MPa. Use um tempo de exposição total de 17 s a fim de adquirir 1s da linha de base antes e depois de uma exposição HIFU 15 s CW no fantasma. Durante este tempo de exposição total, o sistema de aquisição de dados é gravar os dados PCD. O microscópio está conectado para o controle do PC e os quadros de imagem são registados durante este tempo para fornecer uma visualização directa da formação de lesão térmica. Repita o processo no ponto 4.3 para todas as condições de exposição diferentes descritas em 4.4. Processe todos os dados PCD off-line para calcular a dose de cavitação inertial25 para cada exposição.