Engineering gold nanoconstructs for photoacoustic imaging

Zhang, Rui; Mottaghy, Felix; Molto Pallares, Roger

doi:45133

Engineering gold nanoconstructs for photoacoustic imaging

Zhang, Rui^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rui Zhang

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Molto Pallares, Roger (Thesis advisor)^RWTH* ; Mottaghy, Felix (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01044
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1026897/files/1026897.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung (811003-3 ; 924210)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
gold nanoconstructs (frei) ; gold nanostars (frei) ; photoacoustic imaging (frei) ; seedless growth (frei) ; surface functionalization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Anisotrope Gold-Nanopartikel (NP) mit speziellen optischen Eigenschaften und Oberflächenkrümmung haben sich in den letzten Jahrzehnten als attraktive Nanostrukturen erwiesen. Von besonderem Interesse sind dabei Goldnanosterne (AuNS), da sie über ausgeprägte lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP) Resonanzen verfügen, die eine starke Lichtextinktion und photothermische Umwandlungseffektivität ermöglichen. Durch eine Anpassung der Verzweigungsanzahl oder der Seitenverhältnisse können die LSP-Bänder der AuNS im nahen Infrarotbereich (NIR) zentriert werden, was zu einer tieferen Penetration des Gewebes führt. AuNS wurden daher bereits als optische Diagnostika und Therapeutika für die photoakustische (PA) Bildgebung und photothermische Therapie untersucht. Für das Wachstum anisotroper Gold-NP werden jedoch häufig zytotoxische formgebende Mittel wie Cetyltrimethylammoniumbromid verwendet, was zu Sicherheitsrisiken führt. Außerdem neigen diese Reagenzien dazu, sich stark an die Oberfläche der NP zu binden, was weitere Oberflächenfunktionalisierungen erschwert und ihre biomedizinischen Anwendungen einschränkt. In den letzten Jahren wurden daher alternative formgebende Mittel, wie Good-Puffer, erforscht. Diese sind biokompatibel und werden häufig in Zell- und Gewebekulturen verwendet. Außerdem können sie Goldsalze zu metallischem Gold reduzieren und das Wachstum sternförmiger Nanopartikel ohne synthetisierten Keim fördern. Im Herstellungsprozess können Veränderungen der Stoffkonzentrationen (Au3+, Good-Puffer), des pH-Werts, der Temperatur und des Rührens (Rühren, Vortex) das AuNS-Wachstum allerdings stark beeinflussen, was zu einer hohen Polydispersität und Variabilität der jeweiligen Charge führt. Daher wurden in der ersten Studie die Auswirkungen variabler experimenteller Faktoren auf das kernlose Wachstum von HEPES-vermittelten AuNS mit Hilfe eines fraktionierten faktoriellen Versuchsplans untersucht. Die Ergebnisse erklären Unstimmigkeiten in der Literatur und zeigen, dass die gleichzeitige Änderung zweier Faktoren zu größeren Auswirkungen als die Summe einzelner Faktoränderungen führen kann. Weiterführend weisen Good's Puffer-AuNS für die PA-Bildgebung gewünschte Eigenschaften wie z.B. starke NIR-Extinktionen und hohe photothermische Umwandlungseffizienzen auf. Da bisher keine systematische Studie die Konstruktion von PA-Sonden mit Good's puffer-AuNS untersucht hat, wurden in der zweiten Studie AuNS mit (prä-)klinischen Polymeren funktionalisiert und ihre Leistung in vitro und ex vivo untersucht. Diese Studie unterstreicht das Potenzial von Gold-Nanokonstrukte als PA-Sonden und liefert neue Erkenntnisse über die rationale Gestaltung von Nanoagenten für diagnostische Anwendungen. Neben den beiden Hauptstudien wurde Folgendes untersucht: 1. Widerstandsfähigkeit von AuNS gegenüber thermischer Verformung durch Überwachung der Verformungsdynamik mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): Hierbei wurde das Verformungsverhalten von drei Good's puffer (HEPES, EPPS, MOPS)-AuNS unter lokalen (photo-)thermischen Bedingungen, wie bei photoakustischen und photothermischen Anwendungen auftretend, verglichen. Dabei wurde die Reaktion einzelner NP auf Veränderungen der lokalen Umgebung charakterisiert, wodurch die thermische Stabilität von Gold-Nanokonstrukte verbessert werden kann. 2. Entwicklung von Silber-NP (Kugeln, Plättchen und Würfel) für die PA-Bildgebung, die über Anwendungen wie z.B. antimikrobielle Behandlungen und Wundheilung hinausgehen: Die Studie demonstriert das Potenzial von (anisotropen) Silber-NP, einschließlich einiger in klinischen Studien eingesetzten therapeutischen Formulierungen, als PA-Bildgebungsmittel zu dienen und neue Möglichkeiten in der bildgesteuerten Therapie zu eröffnen.

Anisotropic gold nanoparticles possessing unique optical properties and different surface curvature, have emerged as attractive nanostructures in recent decades. Among them, gold nanostars (AuNS) are of particular interest since they hold distinct localized surface plasmon (LSP) resonances, yielding strong light extinction and photothermal conversion efficiencies. Their LSP bands can be centered in the near-infrared (NIR) region of the spectrum, where light penetrates deeper in tissues, by adjusting the AuNS morphology, such as branch number and aspect ratio. Thereby, AuNS have been explored as optical diagnostic and therapeutic agents for photoacoustic (PA) imaging and photothermal therapy. However, the growth of anisotropic gold nanoparticles often relies on cytotoxic shape-directing agents, such as cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), raising safety concerns. Furthermore, those reagents tend to strongly bind to the nanoparticle surface, hindering further surface functionalization and limiting their biomedical applications. In recent years, alternative shape-directing agents, such as Good’s buffers, have been explored to overcome these problems. Good’s buffers are biocompatible and widely used in cell and tissue cultures. Moreover, they can reduce gold salts to metallic gold and promote star-shaped nanoparticle growth in absence of pre-synthesized seeds. This approach is relatively simple, nevertheless, variations in the precursor concentrations (Au3+ and Good’s buffers), pH, temperature, and agitation (stirring or vortex) can largely influence the AuNS growth, leading to high polydispersity and batch-to-batch variability. Hence, in my first study, I assessed the impact of experimental factors’ first- and second-order interactions on the seedless growth of HEPES-mediated AuNS through a fractional factorial design of experiments. My findings explain inconsistencies in previous literature and highlight that simultaneous changes of two factors (secondary interactions) can cause greater effects than the sum of individual factor changes. Additionally, Good’s buffers-mediated AuNS display the key features desired for PA imaging, including strong NIR extinctions and large photothermal conversion efficiencies. Nevertheless, no systematic study had explored the construction of PA imaging probes with Good’s buffer-mediated AuNS. In my second study, I engineered the structure of AuNS by functionalizing them with (pre-)clinical polymers and explored their performance as PA probes in vitro and ex vivo. This study highlights the potential of gold nanoconstructs as PA probes and brings new insights into rational designs of nanoagents for diagnostic applications. Beyond these two main studies, my PhD research also focused on: 1. Investigating the AuNS resilience to thermal deformation by monitoring their reshaping dynamics with environmental transmission electron microscopy (TEM). By tracking the thermal reshaping of Good’s buffers (HEPES, EPPS, and MOPS)-mediated AuNS under in-situ heating TEM, we revealed and compared the deformation behaviors of the three AuNS under local (photo-)thermal conditions, as those obtained in photoacoustic and photothermal applications. This study characterized the response of individual nanoparticles to changes in the local environment and paved our way to improve the thermal stability of gold nanoconstructs. 2. Developing silver nanostructures (spheres, plates, and cubes) for PA imaging, expanding their applications beyond most common uses, such as antimicrobial and wound healing. This study demonstrated the capabilities of (anisotropic) silver nanoparticles, including a few therapeutic formulations being investigated in clinical trials, as PA imaging agents, which may offer new opportunities in image-guided therapy.

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