Synthèse à médiation de graines de nanobâtonnets d'or à rapport d'aspect ajustable pour imagerie photoacoustique proche infrarouge améliorée

Résumé

Des nanobâtonnets d'or à rapport d'aspect ajustable ont été produits via un protocole affiné à médiation de graines employant l'acide ascorbique comme agent directeur de forme. En ajustant le dosage d'acide ascorbique, les rapports d'aspect des bâtonnets étaient réglés de 8,5 à 15,6, donnant des pics de résonance plasmonique de surface longitudinale couvrant la fenêtre proche infrarouge (NIR) (≈680–1100 nm). Après fonctionnalisation de surface avec thiol-polyéthylène glycol (SH-PEG), les nanobâtonnets exhibent une excellente biocompatibilité et stabilité colloïdale, les positionnant comme agents de contraste NIR photoacoustiques prometteurs. Des études in vitro et in vivo démontrent une augmentation de 3,1 fois du contraste et une hausse de 5,6 fois du rapport signal/bruit (SNR) par rapport aux contrôles, soulignant le bénéfice de l'absorption ajustable pour l'imagerie photoacoustique (PAI).

Contexte

Les nanostructures unidimensionnelles — nanofils, nanobâtonnets, nanotubes et nanorubans — offrent des géométries anisotropes idéales pour les nanodispositifs et applications biomédicales. Les nanobâtonnets d'or (AuNRs) sont particulièrement attractifs car leur résonance plasmonique de surface (SPR) dépendante de la forme, leur synthèse aisée et leur amenabilité à la modification de surface en font des agents de contraste idéaux pour la PAI et la thérapie photothermique. Les avancées récentes ont permis un réglage précis du SPR longitudinal en contrôlant le rapport d'aspect, permettant la résonance dans les fenêtres optiques des tissus biologiques (700–950 nm et 1000–1350 nm). Cependant, la synthèse scalable de AuNRs à haut rapport d'aspect avec absorption NIR large reste un défi.

Dans ce travail, nous rapportons une méthode simple à médiation de graines qui produit des AuNRs avec rapports d'aspect de 8,5 à 15,6 en modulant la concentration d'acide ascorbique. Les bâtonnets résultants affichent une bande d'absorption NIR ajustable s'étendant de 680 à 1100 nm et, une fois fonctionnalisés PEG, démontrent une cytotoxicité négligeable et une performance d'imagerie in vivo robuste.

Expérimental

Synthèse des nanobâtonnets d'or

Le protocole modifié à médiation de graines suit des procédures établies (Réf. 16,17). Brièvement, 10,3 mL de HAuCl₄ 0,025 M et 3,644 g CTAB étaient mélangés, dilués avec eau déionisée à 2,5×10⁻³ M HAuCl₄ et 0,1 M CTAB, et aliquotés dans des flacons A–D. Une solution germe de 350 µL de NaBH₄ 0,01 M glacée était ajoutée au flacon A et agitée pendant 3 min. Des aliquotes successives (0,4 mL) des flacons A, B et C étaient transférées vers B, C et D, chacune recevant 25 µL d'acide ascorbique (AA) 0,1 M. Après agitation 5 s, 4 mL du flacon C et 250 µL AA étaient ajoutés au flacon D, qui était laissé à 28 °C pendant 12 h. Le précipité résultant était lavé répétitivement à l'eau distillée pour éliminer l'excès de CTAB, produisant les nanobâtonnets typiques (AuTR).

En variant le volume d'AA — 35 µL, 30 µL, 20 µL et 15 µL dans la séquence à quatre étapes — des rapports d'aspect de 8,5, 10,5, 12,5 et 15,6 étaient atteints respectivement.

Modification de surface des AuNRs

SH-PEG (10 mg dans 1 mL eau) était soniqué 10 min puis réduit avec 50 mL NaBH₄ 0,1 M sous sonication 15 min pour briser les dimères disulfure. Les AuNRs purifiées étaient mélangées avec la solution SH-PEG (10 mL) et agitées 5 min, puis laissées 5 h. Le produit final était purifié par centrifugation et lavage à l'eau.

Méthodes de caractérisation

La morphologie était examinée par MEB (JEOL JSM-7001F) et MET (JEOL 2100F, 200 kV). Les spectres UV-vis étaient enregistrés avec un spectrophotomètre Shimadzu 3100. Les signaux photoacoustiques étaient mesurés utilisant un système PA à balayage rotatif équipé d'un laser Surelite I-20, Surelite OPO Plus, transducteur Olympus PMUT V310-SU et matériel d'acquisition de données.

Expériences de viabilité cellulaire

Toutes procédures ont reçu l'approbation IACUC à l'Université de Technologie de Taiyuan. Les cellules HeLa étaient incubées avec AuNRs (0,25–1,0 nM) pendant 24 h, et la viabilité évaluée via essai MTT et microscopie optique.

PAI in vitro et in vivo

Des phantoms d'agar (2 g agar dans 100 mL eau) étaient préparés par chauffage, agitation et coulage dans un moule de 4,5 cm. Un capillaire en verre de 0,9 mm rempli de sang frais de bœuf ou sang mélangé avec AuTR-PEG (1 nM) était inséré pour mimer un vaisseau. Le phantom était illuminé avec lasers 680 nm ou 800 nm (11 mJ cm⁻²). Pour l'imagerie animale, les souris étaient anesthésiées à l'isoflurane et chloral hydrate, les poils retirés, et un agent de couplage ultrasonique appliqué. Après injection intraveineuse de 1 nM AuTR-PEG, les vaisseaux cérébraux étaient imagés à 800 nm et 680 nm. Une seconde injection était réalisée 24 h plus tard pour la longueur d'onde alternative.

Résultats et Discussions

Le MET haute résolution a confirmé des AuTR uniformes avec diamètres de 22 ± 1,5 nm et longueurs de 290 ± 13 nm (rapport d'aspect ≈13,2). Le HRMET a révélé des franges de réseau (110) (1,44 Å), indiquant une croissance selon la direction [110].

Les spectres UV-vis affichaient deux pics : un pic transverse près de 520 nm et un pic longitudinal qui se décalait vers le rouge de ~680 nm à 1100 nm alors que le rapport d'aspect augmentait de 8,5 à 15,6, correspondant à la fenêtre NIR biologique. La fonctionnalisation SH-PEG causait une réduction mineure (~5 %) de l'intensité du pic sans décalage de position.

Les expériences PA in vitro montraient une dépendance linéaire du signal à la concentration d'AuTR. À l'excitation 800 nm, les AuTR produisaient une augmentation de 2,3 fois du signal PA versus sang seul ; Au rod 1 (rapport d'aspect 8,5) donnait une augmentation de 2,1 fois à 680 nm. Les spectres PA multi-longueur d'onde correspondaient à l'absorption optique, confirmant la corrélation entre SPR et performance PA.

Les essais MTT révélaient que AuTR-PEG maintenait >95 % viabilité cellulaire à 1 nM, alors que AuTR non modifiées réduisaient la viabilité à 71 % à la même concentration, indiquant l'effet protecteur de la PEGylation.

L'imagerie in vivo démontrait que AuTR-PEG (800 nm) et Au rod 1-PEG (680 nm) amélioraient significativement le contraste vasculaire : le groupe AuTR-PEG/800 nm atteignait une augmentation de contraste 3,1 fois et un boost SNR 5,6 fois par rapport aux contrôles. Le groupe Au rod 1-PEG/680 nm atteignait 3,6 fois contraste et 5,7 fois amélioration SNR.

Conclusions

Nous avons développé une synthèse scalable à médiation de graines produisant des nanobâtonnets d'or avec rapports d'aspect de 8,5 à 15,6, donnant un SPR longitudinal ajustable de 680 à 1100 nm. La fonctionnalisation SH-PEG confère une excellente biocompatibilité et stabilité, permettant un contraste photoacoustique NIR robuste. Les résultats in vitro et in vivo confirment un contraste et SNR supérieurs en PAI, validant ces nanobâtonnets comme agents polyvalents pour l'imagerie à travers la première fenêtre NIR, avec applications potentielles dans le diagnostic des maladies cérébrovasculaires.

Abréviations

1D

Unidimensionnel

AA

Acide L-(+)-ascorbique

AuNR

Nanobâtonnet d'or

AuTR

Nanobâtonnets d'or typiques

CTAB

Bromure de cétyltriméthylammonium

DNA

Acide désoxyribonucléique

MTT

Méthyl thiazolyl tétrazolium

NIR

Proche infrarouge

NRs

Nanobâtonnets

OPO

Oscillateur paramétrique optique

PA

Photoacoustique

PAI

Imagerie photoacoustique

SAED

Diffraction électronique de zone sélectionnée

SEM

Microscopie électronique à balayage

SH-PEG

Thiol-polyéthylène glycol

SNR

Rapport signal/bruit

SPR

Résonance plasmonique de surface

TEM

Microscopie électronique à transmission