Samenvermittelte Synthese von Goldnanostäben mit einstellbarem Aspektverhältnis für verbesserte nahinfrarote Photoakustik-Bildgebung

Zusammenfassung

Einstellbare-Aspektverhältnis-Goldnanostäbe wurden über ein verfeinertes samenvermitteltes Protokoll hergestellt, das Ascorbinsäure als formgebendes Agens einsetzt. Durch Anpassung der Ascorbinsäure-Dosierung konnten die Aspektverhältnisse der Stäbe von 8,5 bis 15,6 eingestellt werden, was longitudinale Oberflächenplasmonenresonanz-Peaks ergibt, die das nahinfrarote (NIR) Fenster (≈680–1100 nm) abdecken. Nach Oberflächenfunktionalisierung mit Thiol-Polyethylenglykol (SH-PEG) zeigen die Nanostäbe exzellente Biokompatibilität und kolloidale Stabilität, was sie als vielversprechende NIR-Photoakustik-Kontrastmittel positioniert. In-vitro- und In-vivo-Studien demonstrieren eine 3,1-fache Kontraststeigerung und einen 5,6-fachen Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) im Vergleich zu Kontrollen, was den Nutzen einstellbarer Absorption für die Photoakustik-Bildgebung (PAI) unterstreicht.

Hintergrund

Eindimensionale Nanostrukturen – Nanodrähte, Nanostäbe, Nanoröhren und Nanobänder – bieten anisotrope Geometrien, die ideal für Nanogeräte und biomedizinische Anwendungen sind. Goldnanostäbe (AuNRs) sind besonders attraktiv, da ihre formabhängige Oberflächenplasmonenresonanz (SPR), einfache Synthese und Amenabilität zur Oberflächenmodifikation sie zu idealen Kontrastmitteln für PAI und photothermische Therapie machen. Jüngste Fortschritte ermöglichten die präzise Abstimmung der longitudinalen SPR durch Kontrolle des Aspektverhältnisses, was Resonanz innerhalb der optischen Fenster biologischen Gewebes (700–950 nm und 1000–1350 nm) ermöglicht. Allerdings bleibt die skalierbare Synthese von AuNRs mit hohem Aspektverhältnis und breiter NIR-Absorption eine Herausforderung.

In dieser Arbeit berichten wir über eine einfache samenvermittelte Methode, die AuNRs mit Aspektverhältnissen von 8,5 bis 15,6 durch Modulation der Ascorbinsäure-Konzentration liefert. Die resultierenden Stäbe zeigen ein einstellbares NIR-Absorptionsband von 680–1100 nm und demonstrieren nach PEG-Funktionalisierung vernachlässigbare Zytotoxizität und robuste In-vivo-Bildgebungsleistung.

Experimentell

Synthese von Goldnanostäben

Das modifizierte samenvermittelte Protokoll folgt etablierten Verfahren (Refs. 16,17). Kurz: 10,3 mL 0,025 M HAuCl₄ und 3,644 g CTAB wurden gemischt, mit deionisiertem Wasser auf 2,5×10⁻³ M HAuCl₄ und 0,1 M CTAB verdünnt und in Kolben A–D aliquotiert. Eine 350 µL eiskalte 0,01 M NaBH₄-Samenlösung wurde zu Kolben A gegeben und 3 min gerührt. Sukzessive Aliquote (0,4 mL) der Kolben A, B und C wurden zu B, C und D übertragen, wobei jeder 25 µL 0,1 M Ascorbinsäure (AA) erhielt. Nach 5 s Rühren wurden 4 mL aus Kolben C und 250 µL AA zu Kolben D gegeben, der dann 12 h bei 28 °C ruhte. Der resultierende Niederschlag wurde wiederholt mit destilliertem Wasser gewaschen, um überschüssiges CTAB zu entfernen, was die typischen Nanostäbe (AuTR) ergab.

Durch Variation des AA-Volumens – 35 µL, 30 µL, 20 µL und 15 µL in der vierstufigen Sequenz – wurden Aspektverhältnisse von 8,5, 10,5, 12,5 und 15,6 erreicht.

Oberflächenmodifikation der AuNRs

SH-PEG (10 mg in 1 mL Wasser) wurde 10 min soniziert und dann mit 50 mL 0,1 M NaBH₄ unter Sonikation für 15 min reduziert, um Disulfid-Dimere zu brechen. Gereinigte AuNRs wurden mit der SH-PEG-Lösung (10 mL) gemischt und 5 min gerührt, dann 5 h stehen gelassen. Das Endprodukt wurde durch Zentrifugation und Waschen mit Wasser gereinigt.

Charakterisierungsmethoden

Morphologie wurde per SEM (JEOL JSM-7001F) und TEM (JEOL 2100F, 200 kV) untersucht. UV-Vis-Spektren wurden mit einem Shimadzu 3100 Spektrophotometer aufgezeichnet. Photoakustische Signale wurden mit einem rotationsscannenden PA-System gemessen, ausgestattet mit Surelite I-20 Laser, Surelite OPO Plus, Olympus PMUT V310-SU Transducer und Datenerfassungshardware.

Zellviabilitätsexperimente

Alle Verfahren erhielten IACUC-Zustimmung an der Taiyuan University of Technology. HeLa-Zellen wurden mit AuNRs (0,25–1,0 nM) für 24 h inkubiert, und die Viabilität wurde via MTT-Assay und Lichtmikroskopie bewertet.

In-vitro- und In-vivo-PAI

Agar-Phantome (2 g Agar in 100 mL Wasser) wurden durch Erhitzen, Rühren und Gießen in eine 4,5 cm Form hergestellt. Ein 0,9 mm Glas-Kapillare gefüllt mit frischem Rinderblut oder Blut gemischt mit AuTR-PEG (1 nM) wurde eingesetzt, um ein Gefäß zu simulieren. Das Phantom wurde mit 680-nm oder 800-nm Lasern (11 mJ cm⁻²) beleuchtet. Für Tierbildgebung wurden Mäuse mit Isofluran und Chloralhydrat anästhesiert, Haare entfernt und ein Ultraschall-Kopplungsmittel aufgetragen. Nach intravenöser Injektion von 1 nM AuTR-PEG wurden zerebrale Gefäße bei 800 nm und 680 nm abgebildet. Eine zweite Injektion erfolgte 24 h später für die alternative Wellenlänge.

Ergebnisse und Diskussion

Hochauflösendes TEM bestätigte einheitliche AuTRs mit Durchmessern von 22 ± 1,5 nm und Längen von 290 ± 13 nm (Aspektverhältnis ≈13,2). HRTEM zeigte (110) Gitterstreifen (1,44 Å), was Wachstum entlang der [110]-Richtung anzeigt.

UV-Vis-Spektren zeigten zwei Peaks: einen transversalen Peak nahe 520 nm und einen longitudinalen Peak, der von ~680 nm auf 1100 nm rotverschob, als das Aspektverhältnis von 8,5 auf 15,6 stieg, passend zum biologischen NIR-Fenster. SH-PEG-Funktionalisierung verursachte eine geringfügige (~5 %) Reduktion der Peakintensität ohne Positionsverschiebung.

In-vitro-PA-Experimente zeigten lineare Signalkonzentrationsabhängigkeit. Bei 800-nm-Anregung erzeugten AuTRs eine 2,3-fache PA-Signalsteigerung gegenüber Blut allein; Au-Stab 1 (Aspektverhältnis 8,5) ergab eine 2,1-fache Steigerung bei 680 nm. Multiwellenlängen-PA-Spektren stimmten mit der optischen Absorption überein, was die Korrelation zwischen SPR und PA-Leistung bestätigte.

MTT-Assays zeigten, dass AuTR-PEG bei 1 nM >95 % Zellviabilität aufrechterhielt, während unmodifizierte AuTR die Viabilität auf 71 % bei gleicher Konzentration reduzierten, was den schützenden Effekt der PEGylierung anzeigt.

In-vivo-Bildgebung demonstrierte, dass AuTR-PEG (800 nm) und Au-Stab 1-PEG (680 nm) den Gefäßkontrast signifikant erhöhten: Die AuTR-PEG/800 nm-Gruppe erreichte eine 3,1-fache Kontraststeigerung und einen 5,6-fachen SNR-Anstieg gegenüber Kontrollen. Die Au-Stab 1-PEG/680 nm-Gruppe erzielte 3,6-fachen Kontrast und 5,7-fache SNR-Verbesserung.

Schlussfolgerungen

Wir haben eine skalierbare, samenvermittelte Synthese entwickelt, die Goldnanostäbe mit Aspektverhältnissen von 8,5 bis 15,6 produziert und einstellbare longitudinale SPR von 680 bis 1100 nm liefert. SH-PEG-Funktionalisierung verleiht exzellente Biokompatibilität und Stabilität, was robusten NIR-Photoakustik-Kontrast ermöglicht. In-vitro- und In-vivo-Ergebnisse bestätigen überlegenen Kontrast und SNR in PAI, was diese Nanostäbe als vielseitige Agenten für Bildgebung im ersten NIR-Fenster validiert, mit potenziellen Anwendungen in der zerebrovaskulären Diagnostik.

Abkürzungen

1D

Eindimensional

AA

L(+)-Ascorbinsäure

AuNR

Au-Nanostab

AuTR

Au typische Nanostäbe

CTAB

Cetyltrimethylammoniumbromid

DNA

Desoxyribonukleinsäure

MTT

Methylthiazolyldiphenyl-tetrazoliumbromid

NIR

Nahinfrarot

NRs

Nanostäbe

OPO

Optischer parametrischer Oszillator

PA

Photoakustisch

PAI

Photoakustische Bildgebung

SAED

Selektierte-Bereich-Elektronenbeugung

SEM

Rasterelektronenmikroskopie

SH-PEG

Thiol-Polyethylenglykol

SNR

Signal-Rausch-Verhältnis

SPR

Oberflächenplasmonenresonanz

TEM

Transmissionselektronenmikroskopie