يتم دمج الطلاء الدوار والطباعة متعددة الطائرات ونمذجة الترسبات المنصهرة لإنتاج الأشباح غير المتجانسة متعددة الطبقات التي تحاكي الخصائص الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
* These authors contributed equally
يتم دمج الطلاء الدوار والطباعة متعددة الطائرات ونمذجة الترسبات المنصهرة لإنتاج الأشباح غير المتجانسة متعددة الطبقات التي تحاكي الخصائص الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية.
يلعب التصوير البصري الطبي الحيوي دورا هاما في تشخيص وعلاج الامراض المختلفة. ومع ذلك ، تتاثر دقه واستنساخ جهاز التصوير البصري بشكل كبير بخصائص أداء مكوناته ، وبيئة الاختبار ، والعمليات. ولذلك ، فمن الضروري معايره هذه الاجهزه عن طريق معايير الوهمية يمكن تتبعها. ومع ذلك ، فان معظم الأشباح المتاحة حاليا هي أشباح متجانسة لا يمكنها محاكاة الخصائص المتعددة الوسائط والديناميكية للانسجه البيولوجية. هنا ، ونحن نظهر تلفيق الانسجه غير المتجانسة محاكاة الأشباح باستخدام خط الإنتاج دمج وحده الطلاء تدور ، وحده متعددة الطائرات ، والنمذجة ترسب تنصهر (FDM) وحده ، واطار التحكم الألى. يتم تعريف المعلومات الهيكلية والمعلمات البصرية ل "فانتوم بصريه رقميه" في ملف النموذج الاولي ، والمستوردة إلى خط الإنتاج ، وملفقه طبقه تلو الأخرى مع التبديل متسلسلة بين طرائق الطباعة المختلفة. وتتمثل القدرة التقنية لخط الإنتاج هذا من خلال الطباعة التلقائية للأشباح التي تحاكي البشرة والتي تشكل البشرة والادمه والانسجه تحت الجلد والورم المدمج.
تمثل التصوير البصري الطبي الحيوي عائله من أدوات التصوير الدوائي التي تكتشف الامراض وتشوات الانسجه استنادا إلى التفاعلات الخفيفة مع الانسجه البيولوجية. بالمقارنة مع طرائق التصوير الأخرى ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، تاخذ الصور البصرية الطبية الحيوية ميزه قياس الانسجه الهيكلية والوظيفية والجزيئية باستخدام الاجهزه المحمولة ذات التكلفة المنخفضة1،2،3،4. ومع ذلك ، علي الرغم من تفوقها في التكلفة وقابليه ، والتصوير البصري لم يكن مقبولا علي نطاق واسع للتشخيص السريري والتوجيه العلاجي ، ويرجع ذلك جزئيا إلى استنساخه الفقراء وعدم وجود الخرائط الكمية بين المعلمات البصرية والبيولوجية. والسبب الرئيسي لهذا التقييد هو عدم وجود معايير يمكن تتبعها للمعايرة الكمية والتحقق من صحة أجهزه التصوير البصري الحيوية.
في الماضي ، تم تطوير مجموعه متنوعة من الأشباح محاكاة الانسجه للبحوث التصوير الطبي الحيوي البصرية في أنواع مختلفه من الانسجه ، مثل الدماغ5،6،7، الجلد8،9،10،11،12، المثانة13، وانسجه الثدي14،15،16،17. وتنتج هذه الأشباح في المقام الأول من قبل واحده من عمليات التصنيع التالية: 1) تدور طلاء10،18 (لمحاكاة متجانسة ورقيقه الطبقات الانسجه) ؛ 2) صب19 (لمحاكاة الانسجه الضخمة مع ميزات هندسية) ؛ و 3) الطباعة ثلاثية الابعاد (3d)20،21،22 (لمحاكاة الانسجه متعددة الطبقات غير المتجانسة). الأشباح الجلد التي تنتجها صب هي قادره علي تقليد الخصائص البصرية السائبة من انسجه الجلد ولكن لا يمكن محاكاة تغاير البصرية الجانبية19. تستخدم bentz وآخرون طريقه الطباعة 3D FDM ثنائيه القناة لتقليد الخصائص البصرية المختلفة للانسجه البيولوجية23. ومع ذلك ، باستخدام اثنين من المواد لا يمكن محاكاة بما فيه الكفاية الانسجه البصرية تغاير والمتباين. إنشات لوري وآخرون شبح المثانة لتصوير التصوير المقطعي للاتساق البصري (OCT) وتنظير المثانة من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الابعاد والطلاء الدوار13. ومع ذلك ، كانت ملامح غير متجانسة من الوهمية ، مثل الاوعيه الدموية ، يجب ان تكون مرسومه باليد.
من بين عمليات التصنيع الوهمية المذكورة أعلاه ، توفر الطباعة ثلاثية الابعاد المرونة الأكثر لمحاكاة التغاير الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية. ومع ذلك ، فان العديد من أنواع الانسجه البيولوجية ، مثل انسجه الجلد ، تتكون من مكونات متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم لا يمكن تكرارها بشكل فعال من خلال عمليه طباعه ثلاثية الابعاد واحده. ولذلك ، فان تكامل عمليات التصنيع المتعددة أمر ضروري. نقترح خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد يدمج عمليات التصنيع المتعددة للإنتاج التلقائي للانسجه متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم تحاكي الأشباح كمعيار يمكن تتبعه للتصوير البصري الطبي الحيوي (الشكل 1). علي الرغم من ان الطلاء الدوار ، والطباعة متعددة الطائرات ، و FDM مؤتمتة في خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد ، يحتفظ كل أسلوب بنفس الخصائص الوظيفية للعمليات المعمول بها. ولذلك ، توفر هذه الورقة مبادئ توجيهيه عامه لإنتاج الأشباح متعددة التحجيم ، متعددة الطبقات ، وغير متجانسة محاكاة الانسجه دون الحاجة إلى التكامل المادي لعمليات متعددة في جهاز واحد.

الشكل 1: مخطط CAD لخط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد. (ا) أزاله خط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد مع الغطاء العلوي. (ب) التخطيطي لوحده الطلاء الدوار ووحده اليد الميكانيكية. (ج) المخطط التخطيطي لوحده الطباعة متعددة الطائرات. (د) التخطيطي لوحده الطباعة fdm (مصباح الاشعه فوق البنفسجية ينتمي إلى وحده الطباعة متعددة الطائرات). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. اعداد المواد للطباعة 3D
ملاحظه: لدينا خط إنتاج الوهمية البصرية يستخدم مجموعه متنوعة من مواد الطباعة لمحاكاة تغاير الهيكلية والوظيفية من الانسجه البيولوجية. اختيار مواد الطباعة يعتمد أيضا علي عمليات التصنيع.
2. اعداد نماذج الكمبيوتر للطباعة متعددة الابعاد 3D
ملاحظه: يتم تبسيط انسجه الجلد غير المتجانسة إلى ثلاث طبقات: البشرة ، الادمه ، والانسجه تحت الجلد. يتم إنتاج طبقه البشرة عن طريق طلاء الغزل باستخدام المواد المقدمة في الخطوة 1.1. يتم إنتاج طبقه الادمه بواسطة الطباعة polyjet باستخدام البوليمر للضوء المقدمة في الخطوة 1.2. يتم إنتاج طبقه الانسجه تحت الجلد من قبل FDM باستخدام المواد المقدمة في الخطوة 1.3. يتم إنشاء نموذج اولي لتصميم بمساعده الكمبيوتر (CAD) من معلمات الطباعة المختلفة لتوجيه عمليات التصنيع المذكورة أعلاه.
3. طباعه الجلد طبقه البشرة الوهمية مكون من خلال الطلاء تدور
ملاحظه: وحده الطلاء تدور تتكون أساسا من ثلاثه أجزاء: 1) تدور المغطي ؛ 2) موزع الغراء ؛ و 3) مصباح الاشعه فوق البنفسجية.
4. طباعه الجلد طبقه الادمه عنصر الوهمية بواسطة polyjetting
ملاحظه: وحده الطباعة polyjet يتكون من فوهه نفث الحبر الكهربائية ، ومنصة متنقلة ثلاثية الابعاد ، لوحه التحكم ، ومصباح الاشعه فوق البنفسجية (مصباح الزئبق). تستخدم المواد الضوئية المستندة إلى المذيبات ، ومواد الامتصاص ، ومواد النثر كمصفوفة. يتم الحصول علي المعلمات البصرية المختلفة عن طريق رش المواد بنسب مختلفه في مناطق مختلفه. وأخيرا ، يتم طباعه طبقه الادمه الوهمية والشفاء طبقه من طبقه.
5. طباعه عنصر النسيج تحت الجلد الوهمية من قبل FDM
ملاحظه: تتكون الوحدة النمطية FDM من وحده نمطيه مختلطة ثلاثية الرؤوس ، وحده أحاديه الراس ، ومنصة متنقلة ثلاثية الابعاد. وتستخدم الشمع هلام ، وامتصاص المواد ، والمواد نثر والمواد الخام لاعداد وهميه محاكاة الانسجه تحت الجلد/الورم. يتم تسخين الشمع هلام وذاب في وحده التغذية. أثارت بشكل موحد من قبل رئيس البثق ، هو مقذوف لطباعه الأشباح النهائية مع المعلمات البصرية المطلوبة.
6. نقل الركيزة مره أخرى إلى محطه التحميل
7. صب طبقه الانسجه تحت الجلد الوهمية مكون من قبل صب
ملاحظه: إذا تم تصميم نموذج الورم لفانتوم ، فانه سيكون من الضروري ان يلقي الوهمية بأكملها عن طريق صب polydimethylsiloxane (PDMS) خارج الورم. الخطوات 7.1 – 7.3 غير مطلوبه للوحدة FDM لطباعه طبقه الانسجه تحت الجلد دون ورم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وهميه ملفقه بواسطة طلاء تدور
الطلاء تدور يوزع بالتساوي قطرات علي الركيزة عن طريق تدوير القرص الدوار ، ويتم تصنيع طبقه واحده من الجسم الأصلي بعد علاج. سرعه الدوران من الركيزة ووقت الدوران لا تؤثر فقط علي نوعيه سطح الوهمية ، ولكن أيضا تحديد سمك كل طبقه من الوهمية. يمكن ملفقه الأشباح من سمك مختلفه بواسطة طلاء تدور المتكررة طبقه بطبقه. يمكن تحديد المعلمات البصرية للأشباح عن طريق تغيير نسبه التشتت ومواد الامتصاص ، كما هو موضح في المنشور السابق24. زيادة تركيز تيو2 في الرات...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
في تلفيق الوهمية متعددة الطبقات ، والمواد المستخدمة لطلاء تدور هو نوع من المواد الخفيفة للشفاء بدلا من PDMS. يتم طباعه الطبقة المتوسطة مع طريقه الطباعة polyjet ، والذي يستخدم الراتنج ضوء قابل للشفاء كماده خام. علي الرغم من ان الأشباح PDMS رقيقه يمكن ان يتم عن طريق الطلاء تدور بعد أضافه الكحول تيبوتيل ، لا يمكن ربط طبقه PDMS بشكل فعال إلى المواد الخفيفة للشفاء اثناء الطباعة polyjet. ولذلك ، اخترنا الراتنج ضوء قابل للشفاء لطلاء تدور.
حاليا ، يتوفر فقط اثنين من المواد للطباعة متعددة الطائرات. أضا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.
وحظي هذا العمل بدعم المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 11002139 و 81327803) وصندوق البحوث الاساسيه للجامعات المركزية. نشكر زاكاري ج. سميث من جامعه العلوم والتكنولوجيا لتوفير الصوت الصوتي.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 2-هيدروكسي-2-ميثيل بروبيوفينون | علاء الدين | H110280-500 جرام | بادئ الضوء http://www.aladdin-e.com/< / a> |
| 3D نظام التحكم في الطباعة | USTC-3DPrinter_control1.0 | الطلب github: https://github.com/macanzhen/< / a> | |
| 3D نظام الطباعة | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | حسب الطلب |
| AcroRip اللون | البشري بالإضافة إلى | AcroRip v8.2.6 | |
| الكل في واحد فوهة تقطيع النص | شنتشن CBD التكنولوجيا المحدودة. | github: https://github.com/macanzhen/< / a> | |
| الصينية صبغة حمراء | Juents | قابلة للذوبان في | |
| الزيت Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| جل الشمع | شنغهاي ليدا الصناعة المحدودة. | نقطة انصهار LP: 56 درجة ؛ C | |
| الجرافيت | علاء الدين | G103922-100 جرام | تغيير معلمات الامتصاص البصري للكائن http://www.aladdin-e.com/< / a> |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| ثاني أكسيد التيتانيوم | ALDRICH | 24858-100G | 347 نانومتر |
| ثلاثي إيثيلين جلايكول ثنائي ميثاكريليت | علاء الدين | T101642-250 مل | مونومر فوتو-معالج http://www.aladdin-e.com/< / a> |
| حبر UV SLA Photopolymer راتنج | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz< / a> |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.