Síntesis mediada por semillas de nanobarras de oro con relación de aspecto ajustable para imagen fotoacústica en el infrarrojo cercano mejorada

Resumen

Nanobarras de oro con relación de aspecto ajustable se produjeron mediante un protocolo refinado mediado por semillas que emplea ácido ascórbico como agente director de forma. Ajustando la dosis de ácido ascórbico, las relaciones de aspecto de las barras se ajustaron de 8.5 a 15.6, dando picos de resonancia de plasmon superficial longitudinal que abarcan la ventana del infrarrojo cercano (NIR) (≈680–1100 nm). Tras funcionalización superficial con tiol-poliétileno glicol (SH-PEG), las nanobarras exhiben excelente biocompatibilidad y estabilidad coloidal, posicionándolas como prometedor agentes de contraste NIR para imagen fotoacústica (PAI). Estudios in vitro e in vivo demuestran un aumento de 3.1 veces en contraste y 5.6 veces en relación señal-ruido (SNR) respecto a controles, subrayando el beneficio de absorción sintonizable para imagen fotoacústica.

Antecedentes

Las nanoestructuras unidimensionales —nanohilos, nanobarras, nanotubos y nanocintas— ofrecen geometrías anisotrópicas ideales para nanodispositivos y aplicaciones biomédicas. Las nanobarras de oro (AuNRs) son especialmente atractivas porque su resonancia de plasmon superficial (SPR) dependiente de forma, síntesis facil y amenabilidad a modificación superficial las hacen ideales como agentes de contraste para PAI y terapia fototérmica. Avances recientes han permitido sintonizar precisamente el SPR longitudinal controlando la relación de aspecto, permitiendo resonancia dentro de las ventanas ópticas de tejido biológico (700–950 nm y 1000–1350 nm). Sin embargo, la síntesis escalable de AuNRs de alta relación de aspecto con absorción NIR amplia sigue siendo un desafío.

En este trabajo, reportamos un método mediado por semillas sencillo que produce AuNRs con relaciones de aspecto de 8.5 a 15.6 modulando la concentración de ácido ascórbico. Las barras resultantes muestran una banda de absorción NIR sintonizable que abarca 680–1100 nm y, cuando se funcionalizan con PEG, demuestran citotoxicidad despreciable y robusto rendimiento de imagen in vivo.

Experimental

Síntesis de Nanobarras de Oro

El protocolo mediado por semillas modificado sigue procedimientos establecidos (Refs. 16,17). Brevemente, 10.3 mL de 0.025 M HAuCl₄ y 3.644 g CTAB se mezclaron, diluyeron con agua desionizada a 2.5×10⁻³ M HAuCl₄ y 0.1 M CTAB, y alícuotaron en matraces A–D. Una solución semilla de 350 µL de 0.01 M NaBH₄ en hielo se añadió al matraz A y agitó por 3 min. Alícuotas sucesivas (0.4 mL) de matraces A, B y C se transfirieron a B, C y D, cada una recibiendo 25 µL de 0.1 M ácido ascórbico (AA). Tras agitación de 5 s, 4 mL del matraz C y 250 µL AA se añadieron al matraz D, que se dejó a 28 °C por 12 h. El precipitado resultante se lavó repetidamente con agua destilada para remover exceso de CTAB, produciendo las nanobarras típicas (AuTR).

Variando el volumen de AA —35 µL, 30 µL, 20 µL y 15 µL en la secuencia de cuatro pasos— se lograron relaciones de aspecto de 8.5, 10.5, 12.5 y 15.6, respectivamente.

Modificación Superficial de AuNRs

SH-PEG (10 mg en 1 mL agua) se sonicó por 10 min y luego se redujo con 50 mL de 0.1 M NaBH₄ bajo sonicación por 15 min para romper dímeros de disulfuro. AuNRs limpias se mezclaron con la solución SH-PEG (10 mL) y agitaron por 5 min, luego se dejaron por 5 h. El producto final se purificó por centrifugación y lavado con agua.

Métodos de Caracterización

Morfología se examinó por SEM (JEOL JSM-7001F) y TEM (JEOL 2100F, 200 kV). Espectros UV-vis se registraron con espectrofotómetro Shimadzu 3100. Señales fotoacústicas se midieron usando sistema PA de escaneo rotacional equipado con láser Surelite I-20, Surelite OPO Plus, transductor Olympus PMUT V310-SU y hardware de adquisición de datos.

Experimentos de Viabilidad Celular

Todos los procedimientos recibieron aprobación IACUC en Universidad de Tecnología de Taiyuan. Células HeLa se incubaron con AuNRs (0.25–1.0 nM) por 24 h, y viabilidad se evaluó vía ensayo MTT y microscopía óptica.

PAI In Vitro e In Vivo

Fantasmas de agar (2 g agar en 100 mL agua) se prepararon calentando, agitando y colando en molde de 4.5 cm. Un capilar de vidrio de 0.9 mm lleno con sangre fresca de buey o sangre mezclada con AuTR-PEG (1 nM) se insertó para imitar un vaso. El fantasma se iluminó con láseres de 680 nm u 800 nm (11 mJ cm⁻²). Para imagen animal, ratones se anestesiaron con isoflurano e hidrato de cloral, se removió pelo y se aplicó agente de acoplamiento ultrasónico. Tras inyección intravenosa de 1 nM AuTR-PEG, vasos cerebrales se imaginaron a 800 nm y 680 nm. Una segunda inyección se realizó 24 h después para la longitud de onda alterna.

Resultados y Discusiones

TEM de alta resolución confirmó AuTRs uniformes con diámetros de 22 ± 1.5 nm y longitudes de 290 ± 13 nm (relación de aspecto ≈13.2). HRTEM reveló franjas de red (110) (1.44 Å), indicando crecimiento junto a dirección [110].

Espectros UV-vis mostraron dos picos: uno transversal cerca de 520 nm y uno longitudinal que se desplazó al rojo desde ~680 nm a 1100 nm al aumentar la relación de aspecto de 8.5 a 15.6, coincidiendo con la ventana NIR biológica. La funcionalización SH-PEG causó una reducción menor (~5 %) en intensidad de pico sin desplazar su posición.

Experimentos PA in vitro mostraron dependencia lineal de señal con concentración de AuTR. A excitación 800 nm, AuTRs produjeron aumento 2.3 veces en señal PA versus sangre sola; Au rod 1 (relación de aspecto 8.5) rindió aumento 2.1 veces a 680 nm. Espectros PA multi-longitud de onda coincidieron con absorción óptica, confirmando correlación entre SPR y rendimiento PA.

Ensayos MTT revelaron que AuTR-PEG mantuvo >95 % viabilidad celular a 1 nM, mientras AuTR sin modificar redujo viabilidad a 71 % a la misma concentración, indicando efecto protector de PEGilación.

Imagen in vivo demostró que AuTR-PEG (800 nm) y Au rod 1-PEG (680 nm) mejoraron significativamente contraste vascular: grupo AuTR-PEG/800 nm logró aumento 3.1 veces en contraste y 5.6 veces en SNR respecto a controles. Grupo Au rod 1-PEG/680 nm logró 3.6 veces contraste y 5.7 veces mejora en SNR.

Conclusiones

Hemos desarrollado una síntesis mediada por semillas escalable que produce nanobarras de oro con relaciones de aspecto de 8.5 a 15.6, produciendo SPR longitudinal sintonizable de 680 a 1100 nm. La funcionalización SH-PEG confiere excelente biocompatibilidad y estabilidad, permitiendo contraste fotoacústico NIR robusto. Resultados in vitro e in vivo confirman contraste superior y SNR en PAI, validando estas nanobarras como agentes versátiles para imagen a través de la primera ventana NIR, con aplicaciones potenciales en diagnóstico de enfermedades cerebrovasculares.

Abreviaturas

1D

Unidimensional

AA

Ácido L(+)-ascórbico

AuNR

Nanobarra de Au

AuTR

Nanobarras típicas de Au

CTAB

Bromuro de cetiltrimetilamonio

DNA

Ácido desoxirribonucleico

MTT

Tetrazolio de metil tiazolilo

NIR

Infrarrojo cercano

NRs

Nanobarras

OPO

Oscilador paramétrico óptico

PA

Fotoacústico

PAI

Imagen fotoacústica

SAED

Difracción electrónica de área seleccionada

SEM

Microscopía electrónica de barrido

SH-PEG

Tiol-poliétileno glicol

SNR

Relación señal-ruido

SPR

Resonancia de plasmon superficial

TEM

Microscopía electrónica de transmisión