Some Types of Carbon-based Nanomaterials as Contrast Agents for Photoacoustic Tomography

Autor: Mykola Isaiev, Aleksey Rozhin, Olga Levinson, Boris Zousman, Volodymyrska St., Kyiv, Ukraine, K. Dubyk, Lesia Chepela, Vladimir Lysenko, Sergei Alekseev, A. G. Kuzmich, Alain Géloën
Přispěvatelé: Taras Shevchenko National University of Kyiv, Ray Techniques Ltd., Aston University [Birmingham], Cardiovasculaire, métabolisme, diabétologie et nutrition (CarMeN), Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Hospices Civils de Lyon (HCL), Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA ), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE), Formation, élaboration de nanomatériaux et cristaux (FENNEC), Institut Lumière Matière [Villeurbanne] (ILM), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École Supérieure de Chimie Physique Électronique de Lyon (CPE)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ISAIEV, Mykola
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Materials science
[SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging
фотоакустична томографія
Nanotechnology
photoacoustic tomography
[SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
3D-зображення
Carbon based nanomaterials
3D imaging
фантоми тканин
tissue phantoms
General Materials Science
[SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics
Carbon nanomaterials
carbon nanomaterials
Radiation
Photoacoustic tomography
Photoacoustic tomography PACS numbers: 81.05.Uw
вуглецеві наноматеріали
Contrast (music)
Tissue phantoms
Condensed Matter Physics
[PHYS.COND.CM-SCM] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]
[SDV.IB.IMA] Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging
42.30.Wb
[PHYS.COND.CM-SCM]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]
Zdroj: Journal of Nano and Electronic Physics
Journal of Nano and Electronic Physics, Sumy State University (Sumy, Ukraine), 2020, 12 (4), pp.04033. ⟨10.21272/jnep.12(4).04033⟩
Journal of Nano and Electronic Physics, Sumy State University (Sumy, Ukraine), 2020, 12, ⟨10.21272/jnep.12(4).04033⟩
Journal of Nano and Electronic Physics, 2020, 12 (4), pp.04033. ⟨10.21272/jnep.12(4).04033⟩
ISSN: 2306-4277
2077-6772
DOI: 10.21272/jnep.12(4).04033⟩
Popis: Ця стаття присвячена вивченню різних наноматеріалів на основі вуглецю як фотоакустичних контрастних речовин. Дослідницька робота проводилася на фантомі тканини на основі агарози, що містить включення з карбоновими наноматеріалами та без них. Включення було створено з більш високою густиною порівняно з фантомом з метою імітування пухлини. Для вимірювання рівня фотоакустичного сигналу та його підсилення, спричиненого наявністю нановключень, було використано спеціально розроблений фотоакустичний зонд. Зонд складається з буфера для часового розділення сигналу, що надходить від джерела збудження, п'єзоелектричного перетворювача та підсилювача. Точкові вимірювання сигналу проводилися для отримання двовимірної карти величини фотоакустичного сигналу та фазової затримки реєстрації сигналу. На основі затримки фази реконструювали фотоакустичні 3D зображення шляхом оцінки координати глибини на основі швидкості звуку в тканині. Як джерело збудження було використано світлове випромінювання від Nd:YAG лазера з тривалістю імпульсу 16 нс та довжиною хвилі 1064 нм. По-перше, ми розглядали тканинний фантом із пухлиною, покритою оксидом графена (GO) в якості контрольного. Показано, що використання GO призводить до значного поліпшення контрасту зображення. Далі систематично вивчалися пухлини, покриті нанодіамантами (NDs) та наночастинками фтороксиду вуглецю (CFO). Амплітуда фотоакустичних сигналів, зареєстрованих від таких фантомів пухлини, на порядок менша, ніж сигнал, одержуваний від GO. Всі три типи досліджуваних наноматеріалів на основі вуглецю (GO, NDs, CFO) дають стабільний фотоакустичний сигнал, що дозволяє вважати їх хорошими кандидатами для подальших експериментів in vitro у фотоакустичній візуалізації для біологічних застосувань. Залежності рівня сигналу від концентрації наночастинок вимірювали для окремих типів наночастинок. Враховуючи набагато ефективніше проникнення NDs та CFO наночастинок всередину клітин, а також їх надзвичайно низьку цитотоксичність, ці обидва типи вуглецевих наноматеріалів можуть бути використані для подальших експериментів in vivo. This paper is devoted to the study of various carbon-based nanomaterials as photoacoustic contrast agents. The research work was performed on agarose-based tissue phantom containing inclusions with and without carbon-based nanomaterials. The inclusion was created with the higher density compared to phantom in order to simulate a tumor. A specially designed photoacoustic probe was introduced for measuring a level of photoacoustic signal and its enhancement caused by the nanoinclusions presence. The probe consists of a buffer for time separation of the signal coming from the excitation source, piezoelectric transducer, and amplifier. A point-by-point measurement of the signal was performed to obtain a two-dimensional map from magnitude of photoacoustic signal and phase delay of the signal registration. From phase delay the 3D photoacoustic images were reconstructed by evaluation of the depth coordinate based on the tissue sound velocity. As an excitation source the light radiation from Nd:YAG laser with a 16 ns pulse duration and a 1064 nm wavelength was used. Firstly, we considered tissue phantom with a tumor covered by graphene oxide as a reference one. It has been shown that the use of graphene oxide leads to significant improvement of the image contrast. Further, the tumors labelled with nanodiamonds (NDs) and carbon fluoroxide (CFO) nanoparticles (NPs) were studied systematically. Amplitude of the photoacoustic signals registered from such tumor phantoms are one order of magnitude lower than the signal ensured by graphene oxide. All three types of the studied carbon-based nanomaterials (GO, NDs, CFO) give stable photoacoustic signal, this allows to consider them as good candidates for further in-vitro experiments in photoacoustic imaging for biological applications. The dependences of the signal level as a function of the NPs concentration were measured for types of NPs. Considering much more efficient penetration of NDs and CFO NPs inside the cells as well as their extremely low cytotoxicity, these both types of carbon nanomaterials could be used for further in-vivo experiments.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: