Organiska och kolbaserade nanomaterial har på senare tid väckt stort intresse inom området för fotoakustisk avbildning (PAI) tack vare deras unika egenskaper, såsom enkel tillverkning, långsiktig stabilitet och effektiv ljus-til- värme-konversion genom fototermal omvandling. Särskilt kolbaserade material har förmågan att absorbera ljus effektivt i det nära infraröda (NIR) spektrat, vilket gör dem till potentiellt kraftfulla kontrastmedel för djupavbildning i biologiska system. Trots att de ofta inte uppvisar skarpa absorptionsmaxima, kan deras förmåga att förstärka PA-signaler förbättras genom samverkan med plasmontiska metallnanomaterial eller små molekyler. Denna synergistiska kombination har öppnat nya vägar för avancerade biomedicinska tillämpningar.

Ett exempel på denna utveckling är användningen av enskilda kolnanorör som kontrastmedel för PAI av tumörer. Zerda et al. har visat att målmedvetet riktade enkelsvängda kolnanorör, som är kopplade till cykliska Arg-Gly-Asp (RGD) peptider, kan användas för att avbilda tumörer med en förhöjd PA-signal, upp till åtta gånger högre än när icke-riktade kolnanorör injicerades. Detta resultat innebär att man potentiellt kan använda kolnanomaterial för att exakt identifiera tumörceller, vilket kan ha stor betydelse för tidig diagnos och riktad behandling. På samma sätt har guldpläterade kolnanorör visat sig ge en enorm ökning av kontrasten vid avbildning av lymfatiska kärl, med en förstärkning av PA-kontrasten upp till 102 gånger vid användning av låg energi. Genom att koppla antikroppar till dessa guldkolnanorör kan man dessutom skapa möjlighet att avbilda specifika receptorstrukturer på lymfatisk endotelvävnad.

Även om fotoaktiva nanopartiklar har uppmärksammats för sina förmåga att förstärka PA-signaler, kvarstår vissa problem relaterade till deras fotostabilitet och biotoxiska effekter. För att hantera dessa problem har nya lösningar föreslagits, däribland användningen av N-dopade kolnanodots. Dessa partiklar har visat sig inte bara absorbera effektivt i det NIR-spektret utan även uppvisa en utmärkt fotostabilitet och biokompatibilitet. Lee et al. har visat att dessa nanodots kan användas för PAI-mapping av lymfkörtlar och även för att inducera cancerablation genom fototermal terapi.

Vid sidan av kolbaserade material har organiska nanomaterial, särskilt de som består av små molekyler och semiconducting polymer nanopartiklar (SPNs), blivit en annan framstående kategori för PA-kontrastmedel. Organiska små molekyler som cyanindye och porfysom-nanovesiklar har visat sig vara kostnadseffektiva och biokompatibla alternativ för PA-baserade läkemedelsleveranssystem. Dessa små molekyler kan penetrera cellmembran och fysiologiska barriärer för att nå intracellulära mål. Lovell et al. utvecklade porfysom-nanovesiklar, som är självmonterande porfyrinbilager, och visade att de kan användas som PA-kontrastmedel. Deras enzymsönderdelningsegenskaper öppnar upp för potentiella terapeutiska tillämpningar. Samtidigt har cyanindye fått stor uppmärksamhet för sina starka absorberande egenskaper i det NIR-spektret, och deras förmåga att fungera som PA-agenter har undersökts genom att inkapsla dem i nanopartiklar för att förbättra stabiliteten mot ljusnedbrytning.

Trots deras stora potential, finns det även utmaningar, särskilt relaterade till optisk nedbrytning och låga absorptionspeaks för vissa organiska material. För att adressera detta har forskare modifierat dessa material för att förskjuta deras absorptionsspets till längre våglängder, vilket möjliggör bättre fotostabilitet. Ett exempel på detta är användningen av porfyrin-diketopyrrolopyrrol NPs, som har visat sig förbättra prestanda vid PAI genom att förskjuta absorptionspeaken till 807 nm, vilket ökar materialets stabilitet vid längre exponeringar för ljus.

En annan framväxande teknik inom organiska PA-agenter är användningen av semiconducting polymer nanoparticles (SPNs). Dessa organiska nanopartiklar har fördelarna att de inte är toxiska för levande organismer, vilket gör dem lämpliga för in vivo avbildning. SPNs har hög strukturell flexibilitet och kan justeras för att absorbera ljus i det NIR-spektret, vilket gör dem användbara för PA-baserade läkemedelsleveranssystem. Även om deras dåliga löslighet i biologiska miljöer begränsar deras effektivitet som PA-kontrastmedel, har metoder som amfifil syntes av semiconducting oligomer-nanopartiklar visat sig förbättra både deras löslighet och fototermala effektivitet, vilket leder till förbättrad avbildning av djupt liggande vävnader.

För att ytterligare förbättra prestanda hos dessa material, kombineras SPNs ofta med miceller av surfaktantavlägsnade strukturer, vilket möjliggör mer effektiv användning av NIR-II fönsterljus för djupliggande vävnadsavbildning. Denna teknik har visat sig framgångsrik när det gäller att avbilda vävnader på djupare nivåer i kroppen och kan ge nya insikter i biomedicinska tillämpningar som cancerdiagnostik och terapi.

I framtiden kommer utvecklingen av både organiska och kolbaserade nanomaterial sannolikt att fortsätta att forma landskapet för fotoakustisk avbildning, med större precision och bättre biokompatibilitet. Det är dock viktigt att förstå att även om dessa material erbjuder imponerande fördelar, så finns det fortfarande utmaningar kvar att lösa, framför allt relaterade till långsiktig stabilitet, säkerhet och förmågan att genomföra djupare vävnadsavbildning utan att kompromissa med den optiska effektiviteten.

Vilka lasrar används för PAM-teknik och vad behöver vi förstå för dess tillämpningar?

Pulsade lasrar som uppfyller PAM-kriterierna är avgörande för framgångsrik tillämpning av photoacoustic imaging (PAI). Dessa lasrar används inte bara i laboratoriemiljöer utan har också en växande användning inom kliniska och prekliniska applikationer. I den här delen beskriver vi de mest använda laserkällorna och deras tekniska egenskaper i relation till PAM.

En av de mest populära lasrarna inom PAM är Nd:YAG-laser (neodymdopad yttriumaluminiumbagett). Denna fast-laser är känd för sin höga intensitet och används ofta för att generera pulserat ljus vid en våglängd på 1064 nm. Nd:YAG-laser använder en optisk pumpkälla, som kan vara en blixtlampa eller en laserdiod, för att excitera Nd:YAG-kristallen. Genom att utnyttja Q-switching-teknik kan denna laser generera mycket korta pulser med hög effekt. Dessutom, genom frekvensdubbling, kan Nd:YAG-laser producera ljus med andra våglängder, såsom 532 nm, 355 nm, 266 nm och till och med 213 nm. Detta gör den användbar i en rad olika PAM-applikationer som kräver hög effekt och korta pulsvaraktigheter.

En annan vanlig laser inom PAM är färgämneslasern, som använder organiska färgämnen som aktiva medium för att generera ljus. Denna typ av laser är särskilt användbar för att täcka ett brett spektrum av våglängder, vilket gör den flexibel när det gäller att justera ljusets frekvens och intensitet. Färgämneslasrar kan generera ljus med en bandbredd som sträcker sig från 50 nm till mer än 100 nm, vilket gör dem särskilt attraktiva för system som kräver tunga justeringar av ljusets parametrar under pågående undersökning.

Titan-safir-laser (Ti:safir), som är en annan populär typ av laser inom PAM, utnyttjar en sapphirekristall dopad med Ti3+ joner som lasermedium. Denna laser är mest effektiv vid våglängder nära 800 nm och kan också emittera ljus i ett spektrum från 650 nm till 1100 nm. Ti:safir-laser kan generera extremt korta pulser, från flera hundradelar av nanosekunder till några få femtosekunder, och de kan uppnå hög effekt och högre repetitionshastigheter. Genom att använda passiv mode-locking-teknik (som Kerr lens mode-locking och SESAM) kan man effektivt styra laserpulsernas varaktighet och frekvens, vilket är en fördel när det gäller att förbättra upplösningen i PA-bilder.

Optiska fiberlasrar, som använder optiska fibrer dopade med sällsynta jordartsmetaller som aktiva medium, har blivit en mycket lovande teknologi för PAM. Dessa lasrar har fördelen att de är kompakta, flexibla och kan leverera hög effekt med mycket bra strålkvalitet. De har förmågan att generera mycket hög effekt – från hundratals watt upp till tiotusentals kilowatt – och kan även skapa pulser vid olika tidsintervall från nanosekunder till femtosekunder. De senaste framstegen inom optiska fiberlasrar har lett till att dessa system nu är både högpresterande och mer tillgängliga för praktisk användning.

Laserdioder är också en viktig del av PAM-tekniken, särskilt för realtidsavbildning. Laserdioder är billiga, pålitliga och kompakta, vilket gör dem idealiska för applikationer som kräver snabb pulsgenerering och hög frekvens. De kan producera tusentals pulser per sekund och operera över ett brett spektrum av våglängder, från UV till mellan-infraröd. Även om laserdioder ofta används i kontinuerliga vågformer (CW-läge), kan de modifieras för att skapa pulser i ett brett spektrum, vilket gör dem användbara i PAM-sammanhang. Tekniken för att styra pulslängd och frekvens gör det möjligt att uppnå högt bildkvalitet och snabb avbildning.

För att kunna genomföra snabb och effektiv PAI krävs det att flera tekniska utmaningar övervinns. Bland dessa är den höga energiutgången som krävs från lasrar, den snabba och tunbara utgångsvåglängden (UV till mellan-infraröd) samt den snabba bildbehandlingen och skanningen. För att PAI ska bli användbar inom kliniska studier krävs det också att man finner lösningar på hur man kan förbättra både bildhastigheten och signalstyrkan utan att överskrida säkerhetsgränserna för vävnad.

Vidare är förståelsen för signalbehandlingen i PAM-teknologin lika viktig som själva lasern. PA-signaler är i praktiken mycket svagare än ultraljudssignaler, och detta innebär att den totala signalstyrkan måste optimeras för att erhålla högupplösta bilder. Eftersom PA-signalerna är utsatta för betydliga störningar i den biologiska vävnaden måste man ta hänsyn till bandbredden och den centrala frekvensen hos ultraljudsdetektorer för att uppnå bästa möjliga upplösning och för att undvika artefakter i bilderna.

Att behärska dessa teknologiska nyanser och förstå de olika lasertypernas fördelar och begränsningar är avgörande för att man ska kunna implementera PAM effektivt i både forskning och kliniska tillämpningar. Därför är det också viktigt att notera att PAM, trots sina många fördelar, fortfarande står inför tekniska utmaningar som måste lösas för att uppnå de höga krav som ställs inom medicinsk bildbehandling.

Hur kan du behålla och engagera dina B-spelare?
Hur kan fotokemiska omvandlingar av 2H-aziriner användas för att syntetisera heterocykliska föreningar?
Hur kan två cylindrar kombineras till en resulterande sphero-cylindrisk styrka?