Síntese Mediada por Sementes de Nanobastões de Ouro com Razão de Aspecto Ajustável para Imageamento Fotoacústico no Infravermelho Próximo Aprimorado

Resumo

Nanobastões de ouro com razão de aspecto ajustável foram produzidos via protocolo refinado mediado por sementes que emprega ácido ascórbico como agente direcionador de forma. Ajustando a dosagem de ácido ascórbico, as razões de aspecto dos bastões foram sintonizadas de 8,5 a 15,6, dando picos de ressonância de plasmon de superfície longitudinal que abrangem a janela do infravermelho próximo (NIR) (≈680-1100 nm). Após funcionalização de superfície com polietileno glicol tiolado (SH-PEG), os nanobastões exibem excelente biocompatibilidade e estabilidade coloidal, posicionando-os como agentes de contraste NIR fotoacústicos promissores. Estudos in vitro e in vivo demonstram aumento de 3,1 vezes no contraste e elevação de 5,6 vezes na razão sinal-ruído (SNR) relativos a controles, ressaltando o benefício de absorção ajustável para imageamento fotoacústico (PAI).

Introdução

Nanoestruturas unidimensionais — nanofios, nanobastões, nanotubos e nanofitas — oferecem geometrias anisotrópicas ideais para nanodispositivos e aplicações biomédicas. Nanobastões de ouro (AuNRs) são especialmente atraentes porque sua ressonância de plasmon de superfície (SPR) dependente de forma, síntese facilitada e amenabilidade a modificação de superfície os tornam agentes de contraste ideais para PAI e terapia fototérmica. Avanços recentes permitiram sintonização precisa do SPR longitudinal controlando a razão de aspecto, permitindo ressonância nas janelas ópticas de tecido biológico (700-950 nm e 1000-1350 nm). No entanto, síntese escalável de AuNRs de alta razão de aspecto com ampla absorção NIR permanece um desafio.

Neste trabalho, relatamos um método mediado por sementes direto que produz AuNRs com razões de aspecto de 8,5 a 15,6 modulando concentração de ácido ascórbico. Os bastões resultantes exibem banda de absorção NIR ajustável abrangendo 680-1100 nm e, quando funcionalizados com PEG, demonstram citotoxicidade negligenciável e robusto desempenho de imageamento in vivo.

Experimental

Síntese de Nanobastões de Ouro

O protocolo mediado por sementes modificado segue procedimentos estabelecidos (Refs. 16,17). Brevemente, 10,3 mL de 0,025 M HAuCl₄ e 3,644 g CTAB foram misturados, diluídos com água desionizada para 2,5×10⁻³ M HAuCl₄ e 0,1 M CTAB, e alíquotados em frascos A-D. Uma solução semente de 350 µL de 0,01 M NaBH₄ gelada foi adicionada ao frasco A e agitada por 3 min. Alíquotas sucessivas (0,4 mL) dos frascos A, B e C foram transferidas para B, C e D, cada uma recebendo 25 µL de 0,1 M ácido ascórbico (AA). Após agitação de 5 s, 4 mL do frasco C e 250 µL AA foram adicionados ao frasco D, que foi deixado a 28 °C por 12 h. O precipitado resultante foi lavado repetidamente com água destilada para remover excesso de CTAB, produzindo os nanobastões típicos (AuTR).

Variando o volume de AA — 35 µL, 30 µL, 20 µL e 15 µL na sequência de quatro etapas — razões de aspecto de 8,5, 10,5, 12,5 e 15,6 foram alcançadas, respectivamente.

Modificação de Superfície de AuNRs

SH-PEG (10 mg em 1 mL água) foi sonicado por 10 min e então reduzido com 50 mL 0,1 M NaBH₄ sob sonicação por 15 min para quebrar dímeros dissulfeto. AuNRs limpos foram misturados com solução SH-PEG (10 mL) e agitados por 5 min, então deixados por 5 h. O produto final foi purificado por centrifugação e lavagem com água.

Métodos de Caracterização

Morfologia foi examinada por SEM (JEOL JSM-7001F) e TEM (JEOL 2100F, 200 kV). Espectros UV-vis foram registrados com espectrofotômetro Shimadzu 3100. Sinais fotoacústicos foram medidos usando sistema PA de varredura rotacional equipado com laser Surelite I-20, Surelite OPO Plus, transdutor Olympus PMUT V310-SU e hardware de aquisição de dados.

Experimentos de Viabilidade Celular

Todos procedimentos receberam aprovação IACUC na Universidade de Tecnologia de Taiyuan. Células HeLa foram incubadas com AuNRs (0,25-1,0 nM) por 24 h, e viabilidade foi avaliada via ensaio MTT e microscopia óptica.

PAI In Vitro e In Vivo

Fantasmas de ágar (2 g ágar em 100 mL água) foram preparados por aquecimento, agitação e moldagem em molde de 4,5 cm. Um capilar de vidro de 0,9 mm preenchido com sangue fresco de boi ou sangue misturado com AuTR-PEG (1 nM) foi inserido para mimetizar vaso. O fantasma foi iluminado com lasers de 680 nm ou 800 nm (11 mJ cm⁻²). Para imageamento animal, camundongos foram anestesiados com isoflurano e hidrato de cloral, pelos removidos, e agente de acoplamento ultrassônico aplicado. Após injeção intravenosa de 1 nM AuTR-PEG, vasos cerebrais foram imageados a 800 nm e 680 nm. Segunda injeção foi realizada 24 h depois para o comprimento de onda alternado.

Resultados e Discussões

TEM de alta resolução confirmou AuTRs uniformes com diâmetros de 22 ± 1,5 nm e comprimentos de 290 ± 13 nm (razão de aspecto ≈13,2). HRTEM revelou franjas de rede (110) (1,44 Å), indicando crescimento na direção [110].

Espectros UV-vis exibiram dois picos: pico transversal próximo a 520 nm e pico longitudinal que deslocou para vermelho de ~680 nm a 1100 nm conforme razão de aspecto aumentou de 8,5 a 15,6, correspondendo à janela NIR biológica. Funcionalização SH-PEG causou redução menor (~5%) na intensidade do pico sem deslocar posição.

Experimentos PA in vitro mostraram dependência linear do sinal na concentração de AuTR. A excitação de 800 nm, AuTRs produziram aumento de 2,3 vezes no sinal PA versus sangue sozinho; Au bastão 1 (razão de aspecto 8,5) resultou em aumento de 2,1 vezes a 680 nm. Espectros PA multi-comprimento de onda corresponderam à absorção óptica, confirmando correlação entre SPR e desempenho PA.

Ensaios MTT revelaram que AuTR-PEG manteve >95% viabilidade celular a 1 nM, enquanto AuTR não modificado reduziu viabilidade a 71% na mesma concentração, indicando efeito protetor da PEGilação.

Imageamento in vivo demonstrou que AuTR-PEG (800 nm) e Au bastão 1-PEG (680 nm) aumentaram significativamente contraste vascular: grupo AuTR-PEG/800 nm alcançou aumento de 3,1 vezes no contraste e impulso de 5,6 vezes no SNR relativos a controles. Grupo Au bastão 1-PEG/680 nm alcançou 3,6 vezes contraste e 5,7 vezes melhoria no SNR.

Morfologia e estrutura típicas de nanobastão de Au sintetizado a 25 µL 0,1 M AA (AuTR): a Imagem TEM de campo claro. b Imagem TEM amplificada de um único bastão. c Imagem HRTEM de um único bastão na área retangular "1" do painel b. d Espectros de absorção UV-vis de AuTR e AuTR-PEG

Conclusões

Desenvolvemos síntese mediada por sementes escalável que produz nanobastões de ouro com razões de aspecto variando de 8,5 a 15,6, resultando em SPR longitudinal ajustável de 680 a 1100 nm. Funcionalização SH-PEG confere excelente biocompatibilidade e estabilidade, permitindo robusto contraste fotoacústico NIR. Resultados in vitro e in vivo confirmam contraste superior e SNR em PAI, validando estes nanobastões como agentes versáteis para imageamento na primeira janela NIR, com aplicações potenciais em diagnóstico de doenças cerebrovasculares.

Abreviações

1D

Unidimensional

AA

ácido l(+)-ascórbico

AuNR

Nanobastão de Au

AuTR

Nanobastões típicos de Au

CTAB

Brometo de cetiltrimetilamônio

DNA

Ácido desoxirribonucleico

MTT

Tetrazólio de metil tiazolil

NIR

Infravermelho próximo

NRs

Nanobastões

OPO

Oscilador paramétrico óptico

PA

Fotoacústico

PAI

Imageamento fotoacústico

SAED

Difração de elétrons de área selecionada

SEM

Microscopia eletrônica de varredura

SH-PEG

Tiol-poliethyleno glicol

SNR

Razão sinal-ruído

SPR

Ressonância de plasmon de superfície

TEM

Microscopia eletrônica de transmissão