조절 가능한 종횡비 금 나노로드의 종자 매개 합성으로 향상된 근적외선 광음향 영상

요약

아스코르브산을 형상 지향제로 사용하는 개선된 종자 매개 프로토콜로 조절 가능한 종횡비 금 나노로드를 생산했습니다. 아스코르브산 투여량 조절로 막대 종횡비를 8.5에서 15.6으로 조정하여 종방향 표면 플라즈몬 공명 피크가 근적외선(NIR) 윈도우(≈680-1100 nm)를 커버하도록 했습니다. 티올-폴리에틸렌 글리콜(SH-PEG) 표면 기능화 후 나노로드는 우수한 생체적합성과 콜로이드 안정성을 보여 NIR 광음향 조영제로서 유망합니다. 체내외 연구에서 대조군 대비 3.1배 대비 향상과 5.6배 신호대잡음비(SNR) 상승을 입증하여 광음향 영상(PAI)에서 조절 가능한 흡수의 이점을 강조합니다.

배경

1차원 나노구조(나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 나노벨트)는 나노소자와 생물의학 응용에 이상적인 이방성 형상을 제공합니다. 금 나노로드(AuNRs)는 형상 의존적 표면 플라즈몬 공명(SPR), 쉬운 합성, 표면 개질 용이성으로 PAI와 광열 치료용 조영제로 특히 매력적입니다. 최근 발전으로 종횡비 제어를 통한 종방향 SPR 정밀 조절이 가능해져 생체 조직의 광학 윈도우(700-950 nm 및 1000-1350 nm) 내 공명 구현. 그러나 광범위한 NIR 흡수를 가진 고종횡비 AuNRs의 확장 가능한 합성은 여전히 과제입니다.

본 연구에서는 아스코르브산 농도 조절로 종횡비 8.5-15.6 범위의 AuNRs를 산출하는 간단한 종자 매개 방법을 보고합니다. 결과 막대는 680-1100 nm 범위의 조절 가능한 NIR 흡수 밴드를 보이며, PEG 기능화 시 무시할 만한 세포독성과 견고한 체내 영상 성능을 나타냅니다.

실험

금 나노로드 합성

수정된 종자 매개 프로토콜은 기존 절차(참조 16,17)를 따릅니다. 간략히: 10.3 mL 0.025 M HAuCl₄와 3.644 g CTAB를 혼합, 탈수수로 희석하여 2.5×10⁻³ M HAuCl₄와 0.1 M CTAB 제조 후 플라스크 A-D에 분주. 350 µL 얼음 냉각 0.01 M NaBH₄ 종자 용액을 플라스크 A에 첨가 후 3분 교반. 플라스크 A, B, C의 연속 분주량(0.4 mL)을 B, C, D로 이전, 각각 25 µL 0.1 M 아스코르브산(AA) 첨가. 5초 교반 후 플라스크 C에서 4 mL와 250 µL AA를 플라스크 D에 첨가, 28°C에서 12시간 방치. 생성된 침전물을 증류수로 반복 세척하여 과량 CTAB 제거, 전형적 나노로드(AuTR) 획득.

4단계 시퀀스에서 AA 양을 35 µL, 30 µL, 20 µL, 15 µL로 변화시켜 종횡비 8.5, 10.5, 12.5, 15.6 달성.

AuNRs 표면 개질

SH-PEG(10 mg in 1 mL 물)를 10분 초음파 처리 후 50 mL 0.1 M NaBH₄로 15분 초음파 하 환원하여 이황화 이량체 분해. 세척된 AuNRs를 SH-PEG 용액(10 mL)과 혼합 5분 교반 후 5시간 방치. 최종 생성물 원심분리와 물 세척으로 정제.

특성 분석 방법

형태는 SEM(JEOL JSM-7001F)과 TEM(JEOL 2100F, 200 kV)으로 관찰. UV-Vis 스펙트럼은 Shimadzu 3100 분광광도계로 기록. 광음향 신호는 회전 스캐닝 PA 시스템(Surelite I-20 레이저, Surelite OPO Plus, Olympus PMUT V310-SU 트랜스듀서, 데이터 수집 하드웨어)으로 측정.

세포 생존 실험

모든 절차는 타이위안 공과대학 IACUC 승인. HeLa 세포를 AuNRs(0.25-1.0 nM)와 24시간 배양 후 MTT 분석과 광학 현미경으로 생존율 평가.

체내외 PAI

아가 팬텀(2 g 아가 in 100 mL 물)을 가열, 교반, 4.5 cm 몰드에 주조. 신선한 소 혈액 또는 AuTR-PEG(1 nM) 혼합 혈액을 채운 0.9 mm 유리 모세관을 삽입해 혈관 모사. 680 nm 또는 800 nm 레이저(11 mJ cm⁻²)로 조명. 동물 영상: 마우스를 이소플루란과 클로랄 하이드레이트로 마취, 제모, 초음파 커플링제 도포. 1 nM AuTR-PEG 정맥 주입 후 800 nm와 680 nm에서 뇌혈관 영상. 24시간 후 다른 파장으로 2차 주입.

결과 및 논의

고해상도 TEM으로 직경 22 ± 1.5 nm, 길이 290 ± 13 nm(종횡비 ≈13.2) 균일 AuTR 확인. HRTEM에서 (110) 격자 무늬(1.44 Å) 관찰, [110] 방향 성장 지시.

UV-Vis 스펙트럼에서 두 피크: 횡방향 피크 ~520 nm, 종방향 피크가 종횡비 8.5에서 15.6 증가 시 ~680 nm에서 1100 nm로 적색 편이, 생물학적 NIR 윈도우와 일치. SH-PEG 기능화로 피크 강도 약 5% 감소하나 위치 변화 없음.

체외 PA 실험에서 AuTR 농도에 선형적 신호 의존성. 800 nm 자극에서 AuTR이 혈액 단독 대비 2.3배 PA 신호 증가; Au rod 1(종횡비 8.5)은 680 nm에서 2.1배 증가. 다파장 PA 스펙트럼이 광학 흡수와 일치, SPR과 PA 성능 간 상관관계 확인.

MTT 분석에서 AuTR-PEG가 1 nM에서 >95% 세포 생존율 유지, 비개질 AuTR은 동일 농도에서 71%로 감소, PEG화 보호 효과 확인.

체내 영상에서 AuTR-PEG(800 nm)와 Au rod 1-PEG(680 nm)가 혈관 대비 현저히 향상: AuTR-PEG/800 nm 그룹은 대조군 대비 3.1배 대비 증가와 5.6배 SNR 향상. Au rod 1-PEG/680 nm 그룹은 3.6배 대비, 5.7배 SNR 개선.

결론

종자 매개 합성으로 종횡비 8.5-15.6 범위의 금 나노로드 제조, 종방향 SPR 680-1100 nm 조절 가능. SH-PEG 기능화로 우수한 생체적합성과 안정성 부여, 견고한 NIR 광음향 대비 구현. 체내외 결과가 PAI에서 우수한 대비와 SNR 확인, 이 나노로드를 제1 NIR 윈도우 전반에 걸친 영상용 다용도 조영제로 검증, 뇌혈관 질환 진단 응용 잠재력 제시.