In vitro skin wound soldering using SiO2/Au nanoshells and a diode laser

Background and objectiveGold-coated silica core nanoparticles have an optical response dictated by plasmon resonance. The wavelength at which the resonance occurs depends on the core and shell sizes, allowing nanoshells to be tailored to particular applications. The purpose of this in vitro study was to synthesize and use different concentrations of gold nanoshells as exogenous material for skin tissue soldering and to examine the effect of laser soldering parameters (irradiance, number of scans and scan velocity) on the properties of repaired skin.Materials and methodsTwo protein solder solutions mixed with albumin solder and two different gold nanoshell concentrations (1 and 2 ml) were prepared. A 2-mm-thick, 20-mm-long incision was made on the surface of depilated sheep skin strips using a surgical blade, and after the addition of the solder solution, it was irradiated with a diode laser (810 nm), varying the irradiance I (24–83 W/cm2), the number of laser scans Ns (2–10 scans), and the scan velocity vsvs (0.2–0.42 mm/s). The temperature T was monitored using a digital K-type thermometer (CHY502A1, CHY Firemate Co., Taiwan) that was positioned under the skin with a probe diameter of 0.5 mm and a response time of 0.1 s. Approximately 30 min after the completion of the soldering process, the tensile strength σ was evaluated in a tensile test.ResultsThe results show that the tensile strength of the repaired skin increased with increasing laser irradiance for both gold nanoshell concentrations. At a constant irradiance, the tensile strength of the repaired incisions increased with increasing Ns and decreasing vsvs. A higher irradiance resulted in a larger tissue temperature rise.ConclusionIt was demonstrated that gold nanoshells can be used for laser tissue soldering, provided that the operating conditions are carefully optimized. In our case the optimal parameters were: σ = 0.16 N/mm2 at I ∼ 60 W/cm2, T ∼ 65 °C, Ns = 10 and vs=0.2 mm/svs=0.2 mm/s.

ZusammenfassungHintergrund und ZielsetzungDie optische Resonanz goldbeschichteter Silizium-Nanopartikel wird durch die Plasmonresonanz vorgegeben. Da die Resonanzwellenlänge von der Partikelgröße und der Beschichtungsdicke abhängig ist, können Nanopartikel für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden.Ziel der vorgelegten Studie war es, Gold-Nanopartikel zu synthetisieren und in verschiedenen Konzentrationen zum Gewebelöten einzusetzen. Untersucht wurde dabei der Einfluss verschiedener Prozessparameter (Bestrahlungsstärke I, Anzahl der Laserscans Ns, Scangeschwindigkeit vsvs) auf die Zugfestigkeit σ der erzeugten Gewebelötstelle.Material und MethodenEs wurden 2 mm tiefe und 20 mm lange Schnitte in epilierter Schafhaut mittels eines Diodenlasers (λ = 810 nm) unter Variation der Prozess-parameter (I = 24–83 W/cm2, Ns = 2–10, vs=0.2–0.42 mm/svs=0.2–0.42 mm/s) verlötet. Als Lötmittel wurden zwei Rinderserumalbumin(BSA)-Lösungen mit zwei unterschiedlichen Konzentrationen von Gold-Nanopartikeln (1 und 2 ml) verwendet.Während des Lötvorgangs wurde die Temperatur mit einem Digitalthermometer (CHY502A1, CHY Firemate Co., Taiwan) überwacht, wobei der Temperaturfühler (Sondendurchmesser: 0,5 mm; Reaktionszeit: 0,1 s) direkt unter der Haut positioniert wurde. Etwa 30 min nach Abschluss des Lötvorganges wurde die resultierende Zugfestigkeit mittels Zugversuch ermittelt.ErgebnisseEs zeigte sich, dass für beide Goldpartikel-Konzentrationen die erzielte Zugfestigkeit mit der Bestrahlungsstärke zunahm. Bei konstanter Bestrahlungsstärke I nahm die Zugfestigkeit der Lötstelle mit der Anzahl der Laserscans Ns und mit sinkender Scangeschwindigkeit vsvs zu. Eine höhere Bestrahlungsstärke führte zu einem größeren Temperaturanstieg.ZusammenfassungGold-Nanopartikel können zum Laserlöten von Gewebe verwendet werden, vorausgesetzt die Prozessparameter werden sorgfältig angepasst. In unseren Versuchen ergab sich mit σ = 0,16 N/mm2 für die folgenden Parameter ein Prozessoptimum: I ∼ 60 W/cm2, T ∼ 65 °C, Ns = 10 und vs=0,2 mm/svs=0,2 mm/s.