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Terahertz radiation for the characterization of plasmonic nanoparticles and its biomedical applications.

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Breitenborn, Holger (2020). Terahertz radiation for the characterization of plasmonic nanoparticles and its biomedical applications. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 173 p.

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Résumé

L'évaluation précise de l'effet photo-thermique des nanomatériaux est une condition fondamentale pour diverses applications, telles que la biologie, la chimie et la nano-médecine. En particulier, les thérapies photo-thermiques visant à détruire les cellules cancéreuses nécessitent une détermination précise des capacités de conversion lumineuse des nanoparticules plasmoniques utilisées, afin obtenir les effets nécessaires induits par la température dans les tissus biologiques considérés. Dans cette étude de doctorat, une nouvelle méthode a été développée pour la quantification de l'effet photo-thermique de nanoparticules dans des solutions aqueuses. L'efficacité de la conversion photo-thermique liée à la morphologie des nanoparticules plasmoniques a été évaluée de manière non-invasive et sans contact en combinant des dynamiques thermiques spatiales et temporelles dérivées à des fréquences térahertz. La méthode peut être étendue à la caractérisation de tous les nanomatériaux qui subissent une variation de leur indice de réfraction en fonction de la température dans le régime de fréquence térahertz. De plus, les capacités de la nouvelle méthode ont été étendues au domaine biomédical pour observer et évaluer les interactions laser-tissu assistées par nanoparticules. Par exemple, le soudage laser des tissus assisté par des nanoparticules plasmoniques est une procédure de fermeture de plaie peu invasive capable de remplacer les sutures très invasives couramment utilisées. Le processus de fusion tissulaire est assisté par un gel d’assemblage contenant des nanoparticules, ce qui facilite l'absorption et la transformation de l'énergie laser en chaleur localement confinée dans les bords du tissu. Un contrôle méticuleux de la soudure chauffée par photo-thermie et du tissu sous-jacent est essentiel pour minimiser ou même empêcher les dommages photo-thermiques causés par le fort rayonnement laser, ainsi que pour optimiser la résistance à la traction du tissu fondu. Par conséquent, la nouvelle méthode constitue une modalité sans contact, non-invasive et non-ionisante pour évaluer les dommages induits par photo-thermie rendus possibles par la sensibilité élevée du rayonnement térahertz à la teneur en humidité du tissu biomédical. Le rayonnement térahertz a été utilisé pour suivre l'évolution des dommages photo-thermiques au cours de la procédure de soudage et pour créer une image tomographique permettant une évaluation quantitative de la profondeur des dommages. Cette méthode peut être rapidement étendue et déployée pour une variété d'applications médicales impliquant une interaction laser-tissu, par exemple l'ablation au laser et les thérapies photo-thermiques.

Abstract

The precise evaluation of the photothermal effect of nanomaterials is an essential prerequisite for a variety of fields, such as biology, chemistry, and nanomedicine. In particular, photothermal therapies to destroy cancer cells require an accurate determination of the light conversion capabilities of plasmonic nanoparticles to attain the necessary temperature-induced effects in biological tissue. In this Ph.D. work, a new method has been developed for the quantification of the photothermal effect of nanoparticles in aqueous solutions. The photothermal conversion efficiency linked to the morphology of plasmonic nanoparticles was evaluated in a non-contact and non-invasive manner by combining spatial and temporal thermal dynamics derived at terahertz frequencies. The method is extendable to the characterization of all nanomaterials that experience a temperature-dependent variation of their refractive index in the terahertz frequency regime. Moreover, the capabilities of the new method were extended to the biomedical realm to observe and evaluate nanoparticle-assisted laser tissue interaction. For example, laser tissue soldering assisted by plasmonic nanoparticles is a minimally invasive wound closure procedure that could replace commonly used, highly invasive sutures. The tissue fusing process is assisted by a nanoparticle-containing solder gel, which facilitates the absorption and transformation of laser energy into heat locally confined in the tissue edges. Meticulous monitoring of the photothermally heated solder and the tissue underneath is vital to minimize or even prevent photothermal damage inflicted by the intense laser radiation as well as optimize the tensile strength of the fused tissue. The new method constitutes a non-contact, non-invasive, and non-ionizing modality for evaluating photothermally induced damage enabled by the high sensitivity of terahertz radiation to the humidity content of biological tissue. Terahertz radiation was utilized to trace the evolution of the photothermal damage during the soldering procedure and to create a tomographic image allowing a quantitative evaluation of the incurred damage as a function of depth. In the future, this method could be implemented in a variety of medical applications that involve laser tissue interaction, including laser ablation and photothermal therapies.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto
Co-directeurs de mémoire/thèse: Naccache, Rafik
Mots-clés libres: rayonnement térahertz; spectroscopie térahertz temps-domaine; nanoparticules; chauffage plasmonique; chauffage photo-thermique; thérapie photo-thermique; efficacité de la conversion photo-thermique; interaction laser-tissu; imagerie biomédicale THz; tomographie THz; terahertz radiation; terahertz time-domain spectroscopy; nanoparticles; plasmonic heating; photothermal heating; photothermal therapy; photothermal conversion efficiency; laser tissue interaction; terahertz biomedical imaging; terahertz tomography
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 14 oct. 2020 19:23
Dernière modification: 14 oct. 2020 19:23
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10396

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