Семенной синтез золотых наностержней с регулируемым соотношением сторон для усиленного фотоакустического изображения в ближнем ИК

Аннотация

Наностержни золота с настраиваемым соотношением сторон получены уточненным семенным протоколом с использованием аскорбиновой кислоты как агента, направляющего форму. Изменяя дозу аскорбиновой кислоты, соотношение сторон стержней настраивали от 8,5 до 15,6, что дает продольные пики поверхностно-плазмонного резонанса (SPR), охватывающие окно ближнего ИК (≈680–1100 нм). После поверхностной функционализации тиол-полиэтиленгликолем (SH-PEG) наностержни демонстрируют отличную биосовместимость и коллоидную стабильность, позиционируя их как перспективные NIR фотоакустические контрастные агенты. In vitro и in vivo исследования показывают 3,1-кратное увеличение контраста и 5,6-кратный рост отношения сигнал/шум (SNR) относительно контрольных, подчеркивая преимущество настраиваемого поглощения для фотоакустической визуализации (PAI).

Введение

Одномерные наноструктуры — нанопровода, наностержни, нанотрубки, наноленты — предлагают анизотропные геометрии, идеальные для наноприборов и биомедицинских применений. Золотые наностержни (AuNR) особенно привлекательны, так как их формо-зависимый SPR, легкий синтез и аменность к поверхностной модификации делают их идеальными контрастными агентами для PAI и фоттермической терапии. Недавние достижения позволили точное управление продольным SPR через контроль соотношения сторон, обеспечивая резонанс в оптических окнах биологических тканей (700–950 нм и 1000–1350 нм). Однако масштабируемый синтез высокоаспектных AuNR с широким NIR-поглощением остается вызовом.

В этой работе сообщается простой семенной метод, дающий AuNR с соотношением сторон 8,5–15,6 модуляцией концентрации аскорбиновой кислоты. Полученные стержни демонстрируют настраиваемую NIR-поглощающую полосу 680–1100 нм и, после PEG-функционализации, негожитотоxicность и надежную in vivo визуализацию.

Экспериментальная часть

Синтез золотых наностержней

Модифицированный семенной протокол следует установленным процедурам. Кратко: 10,3 мл 0,025 М HAuCl₄ и 3,644 г CTAB смешали, разбавили дистиллированной водой до 2,5×10⁻³ М HAuCl₄ и 0,1 М CTAB, и аликвотировали в колбы A–D. 350 мкл ледяного 0,01 М NaBH₄ добавили в колбу A и перемешивали 3 мин. Последовательные аликвоты (0,4 мл) колб A, B, C переносили в B, C, D, каждая получая 25 мкл 0,1 М аскорбиновой кислоты (AA). После 5-секундного перемешивания 4 мл из колбы C и 250 мкл AA добавляли в колбу D, которую оставляли при 28 °C на 12 ч. Осадок многократно промывали дистиллированной водой для удаления излишков CTAB, получая типичные наностержни (AuTR).

Варируя объем AA — 35, 30, 20 и 15 мкл в четырехступенчатой последовательности — достигали соотношений сторон 8,5; 10,5; 12,5; 15,6 соответственно.

Поверхностная модификация AuNR

SH-PEG (10 мг в 1 мл воды) сонировали 10 мин, затем восстанавливали 50 мл 0,1 М NaBH₄ под соникацией 15 мин для разрыва дисульфидных димеров. Очищенные AuNR смешали с раствором SH-PEG (10 мл) и перемешивали 5 мин, затем выдерживали 5 ч. Финальный продукт очищали центрифугированием и промывкой водой.

Методы характеристики

Морфологию изучали SEM (JEOL JSM-7001F) и TEM (JEOL 2100F, 200 кВ). UV-Vis спектры записывали на Shimadzu 3100. Фотоакустические сигналы измеряли вращательно-сканирующей PA системой с лазером Surelite I-20, Surelite OPO Plus, преобразователем Olympus PMUT V310-SU и аппаратурой сбора данных.

Эксперименты на живучесть клеток

Все процедуры одобрены IACUC Тайваньского университета технологий. Клетки HeLa инкубировали с AuNR (0,25–1,0 нМ) 24 ч, живучесть оценивали MTT-тестом и оптической микроскопией.

In vitro и in vivo PAI

Агаровые фантомы (2 г агара в 100 мл воды) готовили нагреванием, перемешиванием и литьем в форму 4,5 см. Капилляр 0,9 мм, заполненный свежей бычьей кровью или кровью с AuTR-PEG (1 нМ), вставляли для имитации сосуда. Фантом освещали лазерами 680-нм или 800-нм (11 мДж/см²). Для животной визуализации мышей анестезировали изофлураном и хлоральным гидратом, удаляли шерсть, наносили ультразвуковой контактный гель. После внутривенного введения 1 нМ AuTR-PEG образовывали церебральные сосуды при 800 нм и 680 нм. Второе введение через 24 ч для альтернативной длины волны.

Результаты и обсуждение

Высокоразрешающий TEM подтвердил равномерные AuTR с диаметром 22±1,5 нм и длиной 290±13 нм (соотношение сторон ≈13,2). HRTEM показал решетчатые фрижи (110) (1,44 Å), указывающие на рост вдоль направления [110].

UV-Vis спектры показали два пика: поперечный около 520 нм и продольный, красное смещение от ~680 нм до 1100 нм при увеличении соотношения сторон от 8,5 до 15,6, попадающее в биологическое NIR-окно. SH-PEG функционализация вызвала незначительное (~5%) снижение интенсивности пика без смещения позиции.

In vitro PA-эксперименты показали линейную зависимость сигнала от концентрации AuTR. При возбуждении 800 нм AuTR дали 2,3-кратный рост PA-сигнала против одной крови; Au rod 1 (соотношение сторон 8,5) дал 2,1-кратный при 680 нм. Многоволновые PA-спектры совпали с оптическим поглощением, подтверждая корреляцию SPR и PA-производительности.

MTT-тесты выявили, что AuTR-PEG сохраняет >95% живучести клеток при 1 нМ, тогда как немодифицированные AuTR снижают до 71% при той же концентрации, указывая на защитный эффект PEGилирования.

In vivo визуализация продемонстрировала, что AuTR-PEG (800 нм) и Au rod 1-PEG (680 нм) значительно повышают контраст сосудов: группа AuTR-PEG/800 нм достигла 3,1-кратного увеличения контраста и 5,6-кратного улучшения SNR относительно контрольных. Группа Au rod 1-PEG/680 нм дала 3,6-кратный контраст и 5,7-кратный SNR.

Заключение

Разработан масштабируемый семенной синтез, дающий золотые наностержни с соотношением сторон 8,5–15,6 и настраиваемым продольным SPR 680–1100 нм. SH-PEG функционализация обеспечивает отличную биосовместимость и стабильность, позволяя надежный NIR фотоакустический контраст. In vitro и in vivo результаты подтверждают превосходный контраст и SNR в PAI, валидируя эти наностержни как универсальные агенты для визуализации через первое NIR-окно, с потенциальными приложениями в диагностике цереброваскулярных заболеваний.

Аббревиатуры

1D

Одномерный

AA

L-(+)-аскорбиновая кислота

AuNR

Золотой наностержень

AuTR

Типичные золотые наностержни

CTAB

Цетилтриметиламмоний бромид

DNA

Дезоксирибонуклеиновая кислота

MTT

Метилтиазолилтетразолий

NIR

Ближний инфракрасный

NRs

Наностержни

OPO

Оптический параметрический осциллятор

PA

Фотоакустический

PAI

Фотоакустическая визуализация

SAED

Выборка областей электронной дифракции

SEM

Развеивающая электронная микроскопия

SH-PEG

Тиол-полиэтиленгликоль

SNR

Отношение сигнал/шум

SPR

Поверхностно-плазмонный резонанс

TEM

Трансляционная электронная микроскопия