Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

该 Phantom Fabrication 工艺的总体目标是在光学调谐聚合物中对小鼠气道进行建模。由于内部结构是 3D 打印的，因此这种成型工艺可以应用于各种其他解剖结构。这种方法可以帮助回答组织光学领域的关键问题，例如健康三维解剖学可以影响组织中的光传输。

这种技术的主要优点是它可以针对 3D 打印机可以解析的任何结构进行定制。虽然这种方法可以作为肺部光传输的物理模型提供见解，但它也可以应用于其他系统，例如闭合系统或具有多种材料的 3D 模型。首先制造选择性接收的聚二甲基硅氧烷或 PDMS 板，以确认光学特性。

PDMS 树脂固化剂的重量比例为 10：1，按顺序将 PDMS 树脂、钛白粉、印度墨水和 PDMS 固化剂倒入混合杯中。材料的彻底混合将使现代主义材料具有内部吸收和散射特性。此步骤对于可重现的光学特性是不可或缺的。

在高速搅拌机中混合配料 60 秒。如果二氧化钛颗粒粘在搅拌杯上，请用手搅拌以去除杯底的颗粒，然后在混合器中再搅拌 30 秒。接下来，将混合物倒入 Ross 或 Petri 培养皿中，制成混合物的薄板。

将板坯放入密闭负压室中，将板坯脱气 10 分钟。然后将板块放入预热的 80 摄氏度烤箱中 30 到 60 分钟。从烤箱中取出板并冷却后，从容器中取出冷却的聚合物板。

然后修剪边缘，留下平坦均匀的板。使用口径测量板的厚度。接下来，使用积分球测量板的透射率和反射率。

打开积分球设置的光源和光谱仪。检查系统的对准情况，以确保小准直光束位于积分球的入口和出口端口的中心。要校准积分球系统，请关闭源并盖上积分球的出口。

记录三个暗光谱。重新打开源，以获取出路端封顶且入口端为空的传输参考。现在记录三个光谱。

接下来，使用反射率标准液获得反射率参考测量值。将每个标准放置在球体的出口处。为每个反射标准记录三个光谱。

接下来，用出口端口上的盖子测量板的透射率。将板坯放在积分球的入口处进行透射测量。记录 3 个光谱。

要测量板的反射率，请取下出射口盖，将板放在出射口上进行反射率测量。记录 3 个光谱。继续按照文本协议中的说明确定光学特性。

选择可溶解的材料进行打印，例如聚乙烯醇或高抗冲聚苯乙烯。并在这种可溶解材料中打印实体模型。打印完成后，将支撑材料从打印部件上断开、溶解或加工。

锉削或打磨掉任何大的完美。蒸汽抛光对于控制表面粗糙度很重要。3D 打印机的轴向分辨率将产生粗糙的内表面，导致该表面的漫反射率。

要对打印部件进行气相抛光，首先在打印部件的底部钻一个带间隙的通孔，用于细钢丝或镍钛合金丝，同时将其固定在虎钳中。接下来，将不锈钢或镍钛合金丝穿过孔。弯曲电线的末端并将它们钩在一起。

这将允许部件完全浸入烧杯内的丙酮蒸气中。然后将电线和零件放在一边。在通风橱中工作以防止吸入丙酮蒸气，将大约 10% 的丙酮装满一个大烧杯，然后将其放在热板上。

然后加热至 100 摄氏度。当丙酮蒸气冷凝到达烧杯壁的一半左右时，将带有标记气道的环丝放在第二根钢丝上，并将其悬浮在丙酮蒸气中 15 至 30 秒。确保打印部件不接触烧杯壁或彼此接触。

取出打印部件并将其悬挂在空烧杯或容器上。让部件干燥至少 4 小时。将 9.1 g PDMS 树脂倒入塑料混合杯中。

加入 20 毫克金红石型二氧化钛，然后加入 35 微升印度墨水。最后，在混合物的顶部加入 0.91 g 固化剂。将最终的聚合物混合物倒入耐热模具中。

然后将少量混合物倒入单独的容器中，制成聚合物板，以确认材料的光学特性。将单独板中标记的两个气道模具放入钟罩中进行脱气。开始真空过程。

如果标记的气道模具中的聚合物开始上升，让空气返回钟罩中以爆破表面气泡。然后再次开始抽气。重复此过程，直到聚合物不显著上升。

这将需要 5 到 10 分钟，具体取决于将混合物倒入模具时滞留的空气量。一旦 PDMS 不再上升，继续脱气 15 分钟。脱气后，慢慢让空气回到腔室中。

取出标记的气道模型和聚合物板，并将它们放入 80 摄氏度的水平烤箱中两个小时。从烤箱中取出 phantom 和 slab，让它们冷却 20 分钟。然后用手术刀拆卸聚合物模具，不要切割固化的聚合物。

卡住标记的气道底部的一半。接下来，将模型放入加热的氢氧化钠基础浴中，直到内部完全溶解。光学清除的参考模型可能有助于确定内部组件的溶解时间。

内部结构溶解后，将模型从浴中取出并使其完全干燥，然后再进行任何光学测量。按照文本协议中的说明验证体模几何形状后，使用聚合物板和积分球验证体模的光学特性。显示了体模成像和 3D 肺体模内部结构验证的代表性结果。

光学透明体模的绿光内部照明显示了 3D 打印部件未进行气相抛光时内表面的漫反射。相反，采用蒸汽抛光内部结构制成的体模在内表面的漫反射率最小。当使用不同浓度的光学粒子时，用绿光在内部照射并通过外部检测成像的体模显示出不同的辐射表面。

本视频中生成的模型显示了空间漫射表面辐射。然而，具有相同内部结构但二氧化钛和印度墨水浓度不同的体模具有更高的吸收率和与表面吸收不同的辐射率。因为这种模型包括二氧化钛和印度墨水，所以它在光学上是不透明的，因此显示了用微型计算机断层扫描对内部结构的验证。

一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在两天内完成。看完这个视频，你应该对如何制造具有 3D 打印结构的光学体模有一个很好的了解。这种体模制造技术用于探索小鼠肺中的光传输，以优化细菌传感成像系统。