Nucleación controlable de la cavitación de la plasmónica nanopartículas de oro para aumentar la intensidad alta enfocada ultrasonido aplicaciones

1. tejido imitando fabricación fantasma Nota: Un análisis profundo de las propiedades acústicas del fantasma ópticamente transparente imitando tejido utilizado para todas las exposiciones en este estudio se puede encontrar en Choi, et al. 24 Nota: Cada molde fantasma contiene aproximadamente 50 mL de solución, y para cada lote de un total de cinco moldes están llenos. Así, un total de 250 mL de solución de fantasma está preparado. Añadir 148,2 mL (60% v/v) de agua desionizado, filtrada y desgasificado a un vaso de vidrio de 500 mL y dejar equilibrar a temperatura ambiente. Añadir 75 mL de 40% (peso/volumen) de solución de acrilamida/Bis-acrilamida (30% v/v) en el vaso de vidrio, seguido de 25 mL de tampón TRIS de 1 M, pH 8 (10% v/v) y 2,15 mL de 10% persulfato de amonio (APS; 0,86% v/v). El vaso de cristal dentro de una cámara de vacío que se encuentra en la placa de un agitador magnético y una barra de agitación magnética 40 mm largo politetrafluoroetileno (PTFE) dentro del vaso. Con un medio de revolvimiento de velocidad (es decir, asegurar buena mezcla sin formación de vórtice en el agua), añadir lentamente 22,5 g (9% p/v) de albúmina de suero bovino (BSA) en polvo. Una vez todos de BSA ha sido añadido a la solución, cerrar la cámara de vacío y encienda la bomba de vacío. Mantener un vacío de 80 mBar/H y continuar revolviendo durante un 60 minutos más, después de que lanzamiento del vacío. En este punto la solución debe ser transparente con un ligero tinte amarillo. La anterior metodología es la misma de fantasmas hechos con y sin nanopartículas. Si las nanopartículas están necesarias, añadir 10 μl (concentración de 1 x 108 np/mL) de nanobarras que tienen una resonancia de plasmón superficial (SPR) a 850 nm y un diámetro de 40 nm. Por último, añadir 125 μl de tetramethylethylenediamine (TEMED) para catalizar la polimerización de la fantasma. Esperar un más 5 minutos para permitir la mezcla, luego verter la solución fantasma en 5 moldes individuales y esperar 20 min para ajustar. Una vez, eliminarlos de los titulares y almacenar en un envase hermético hasta su uso. Utilice fantasmas dentro de 24 h de fabricación. 2. calibración de transductores HIFU campo libre presión acústica Nota: Esta sección del Protocolo no es necesaria antes de cada experimento de lesiones e imágenes. Es un procedimiento de calibración que se realizará a intervalos regulares para asegurar la salida acústica del sistema es correcta. Llenar un tanque de agua de acrílico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L de agua desionizado y desgasificado. Monte el transductor HIFU en un post de posición fija en un extremo del tanque, en. Paralelo a este, Monte un calibrado (realizado por el laboratorio físico nacional) hidrófono de la membrana a un escenario de micrómetro manual de tres ejes en el centro aproximado del transductor HIFU (63 mm). Conectar el transductor HIFU (geométrica foco 63 mm) al circuito de impedancias, entonces amplificador de potencia (como se muestra en la figura 1). Luego conecte el hidrófono de membrana directamente al sistema de adquisición de datos, asegurando que se proporciona una señal de disparo desde el generador de funciones conectado al amplificador de potencia (figura 1). Ajustar la tensión de salida del generador de funciones a 30 mV, con un ciclo de 10 3,3 MHz sinusoidal a una frecuencia de repetición de pulso de 100 Hz. Utilizando el software de medición (véase Tabla de materiales) para visualizar la señal acústica detectada y la etapa de micrómetro, colocar el pulso acústico detectado a la hora de vuelo (42.5 μm). Utilizando únicamente una sola dirección radial en un momento en la etapa de micrómetro, maximizar la señal acústica detectada. Una vez seguros de que esto se ha logrado, cerrar el software y dejar el hidrófono de la membrana en su posición actual. Variar la tensión de salida del generador de funciones de 20-400 mV en 20 incrementos de mV. A cada tensión de nivel y utilizando el software de adquisición de MatLab, record el hidrófono señales. Adquirir 100 pulsos en cada nivel y convertir de datos voltaje presión utilizando los datos de calibración suministrada. Promedio de los datos y medir tanto el pico valores positivos y negativos para todos los niveles de voltaje de salida. Esto da los datos de calibración de la presión negativa de pico de campo libre para tanto el pulso y continúa estudios de onda. 3. configuración del aparato Experimental para ambos estudios de onda pulsada y continua Llenar un tanque de agua de acrílico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L de agua desionizado y desgasificado. Montar el transductor HIFU y el hidrófono banda ancha Co alineado a un escenario de micrómetro manual de tres ejes. Luego, sumerja completamente el transductor y el hidrófono en el tanque de agua. Un esquema de esto se muestra en la figura 1. Conectar el transductor HIFU a un circuito de adaptación de impedancias, para que pueda ser conducido en su tercer armónico (3,3 MHz). Este circuito se conecta directamente a la salida de un amplificador de RF. Un generador de funciones digital está conectado a la entrada del amplificador y programar remotamente. Antes de las exposiciones en fantasma material, utilizar un hidrófono calibrado membrana diferencial para medir la presión negativa de pico generada en este sistema para un determinado voltaje de entrada en el generador de funciones como se describe en 2. Utilice estos valores de voltaje de referencia para establecer el nivel de presión requerida en el generador de funciones digital. Conecte la banda ancha hidrófonos (geométrica foco 63 mm) que se encuentra en la abertura central del transductor HIFU directamente a un filtro de paso alto de 5 MHz. Luego conectarlo a una tarjeta de adquisición de 14 bits de datos (DAQ) a través de un preamplificador de 40 dB. Asegúrese que el filtro está conectado con el diagonal correcta.Nota: Esta tarjeta se instala en una PC de escritorio y se utiliza para controlar todo el hardware (ejemplos de este software se puede encontrar como archivos complementarios) y guardar los datos para su procesamiento fuera de línea durante este estudio. Conectar un generador de pulsos digital delay de transistor-transistor lógica (TTL) con cables de bayoneta Neill-Concelman (BNC) para ambos el láser pulsado sistema y función generador para la sincronización entre estos sistemas, que se asegurará de que el 7 ns láser pulso es coincidente en la región de destino durante el cuarto pico de rarefacción del transductor HIFU. Usando el método descrito en 1, omite la BSA y nanopartículas para hacer una alineación fantasma, que es material fantasma estándar que contiene un objetivo metálico esférico de 1 mm (un rodamiento de bolas). Para lograr esto, verter 25 mL de material de fantasma en un molde agregar 62,5 catalizador TEMED de μl y esperar unos 20 min para ajustar. Luego colocar el blanco metálico centralmente en el fantasma y añadir una más 25 mL de solución fantasma seguido por el catalizador de 62.5 μl TEMED y un más 20 minutos esperar. Coloque la alineación fantasma en el soporte impreso 3-6, montar en un escenario 3D automatizado y coloque aproximadamente de manera que el blanco metálico está en el punto focal del transductor HIFU. Utilizando el transductor HIFU para enviar una corta duración ciclo 10 explosión (3 μs) y el hidrófono para recibir (conectado directamente a la tarjeta DAQ), la posición en relación con el objetivo de la alineación está optimizada a través de la ubicación de pulso-eco. El tiempo real detecta señal aparecerá en el equipo. Ajustar el tiempo de vuelo y señal de amplitud con la etapa de micrómetro manual que el HIFU transductor e hidrófono está montado sobre. Una vez que el tiempo de vuelo se encuentra a 85 μs (solo ida y vuelta) y la amplitud de la señal ha sido maximizada en ambas direcciones radial, este sistema se alinean. Par la energía óptica desde el oscilador paramétrico óptico (OPO) bombea por el láser de 532 nm nanosegundo pulsado en el fantasma con un paquete de fibra de 2 mm. Montar esta fibra en una segunda etapa de micrómetro y posición en un ángulo de 45 ° desde el eje acústico delante del fantasma (figura 1). La longitud de onda de la luz laser se encuentra a 680 nm sea visible para la alineación. Una vez visible, la posición la iluminación del laser con la etapa de micrómetro que el objetivo del alineamiento es central en un punto de láser de 15 mm de diámetro. Coloque el microscopio digital de 20-90 x (trabajo 90 mm la distancia) y una fuente de luz blanca en los lados opuestos del tanque de agua perpendicular al plano de propagación del transductor HIFU. El microscopio está montado sobre una platina micrómetro pequeño. Posición tal que la alineación metálica blanco es central y el foco en su campo de visión (5 x 6 mm).Nota: Una vez finalizado el procedimiento anterior, todos los elementos de este sistema (HIFU transductor, hidrófono, iluminación láser y microscopio) están ahora Co alineados en una ubicación específica. La alineación fantasma ahora puede reemplazarse con tejido imitando los fantasmas de la utilizada para el estudio. Como el fantasma se monta en un soporte conectado a un sistema de posicionamiento 3D, diferentes regiones pueden orientarse mientras mantiene la alineación. 4. cavitación detección de umbral de exposición pulsada HIFU Nota: El siguiente procedimiento es el mismo para fantasmas con o sin nanopartículas y debe repetirse tres veces. Asegúrese de que el sistema PCD es conectado después de ser desconectado por el procedimiento de alineación indicados en 3.8 y ajustar la longitud de onda del láser a lo SPR de las nanopartículas. Utilizando un programa de control personalizado, ajuste el generador de funciones para producir una explosión HIFU de 10 ciclo (3 μs), que se sincroniza con el sistema láser. También utilizar este programa para establecer un fluence láser 0.4, 1.1, 2.1 y 3.4 mJ/cm2 , aunque cambiando la sincronización entre el disparo de la leña de la lámpara de flash y la apertura de Q-switch en el sistema de láser. Objetivo la máxima focal del sistema HIFU 10 mm en el fantasma y en 13 lugares únicos, espaciadas de 5 mm, en la dirección vertical. En cada una de estas localidades realizar una exposición a una presión HIFU negativo solo pico, con las fluencias de cuatro láser indicados en 4.2. Uso la gama de pico negativo presiones MPa 0 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53, 2.71, 2.83, 3.00 y 3.19 para las siguientes condiciones de exposición: láser en nanopartículas fantasma gratis, laser apagado en una nanopartícula fantasma y láser en una nanopartícula fantasma. Para simular un láser ‘farsa’ exposición, haga funcionar el sistema como se describe, pero cierre el obturador manual de la salida de la OPO. Este enfoque asegurará que cualquier ruido de RF generado estará presente al sistema DPC. Programar todos los ajustes y posiciones de la exposición en el programa de control y luego ejecutar para llevar a cabo estas medidas. Datos PCD es digitalizados y almacenan directamente utilizando la tarjeta de adquisición de datos para procesamiento posterior. Para cada parámetro de exposición, 500 repetir exposiciones son adquiridos6. Procesar las emisiones de banda ancha detectadas por el sistema PCD de las exposiciones de corta duración HIFU a los fantasmas mediante la técnica detallada por McLaughlan et al. (2017) 6. 5. termal desnaturalización de exposiciones HIFU de onda continua Nota: El siguiente procedimiento es el mismo para fantasmas con o sin nanopartículas y se repitieron tres veces. Sistema laser para dar un fluence de 3,4 mJ/cm2 y el generador de funciones para proporcionar una exposición CW (cada ciclo de 330.000 explosión está sincronizado con un pulso de láser). En 11 lugares únicos en el fantasma, seleccione una presión negativa máxima de 0.20, 0.62, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53 o 2.71 MPa. Utilizar un tiempo de exposición total de 17 s para adquirir 1s de línea de base antes y después de una exposición HIFU s CW 15 en el fantasma. Durante este tiempo de exposición total, el sistema de adquisición de datos está grabando los datos de la PCD. El microscopio está conectado a la PC de control y los marcos de imagen se registran durante este tiempo para ofrecer una visualización directa de la formación de la lesión térmica. Repita el proceso en la 4.3 para todas las condiciones de exposición diferentes que se indica en 4.4. Procesar todos los datos de PCD off-line para el cálculo de la cavitación inercial dosis25 para cada exposición.