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

Abstract

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.