基于琼脂糖组织模拟光学幽灵的漫反射光谱研究
August 22nd, 2018
在这里, 我们演示了如何用琼脂糖为基础的组织模仿光学幽灵, 以及如何使用一个集成球体的传统光学系统来确定它们的光学特性。
这种导弹可以帮助解决生物医学光学领域的关键问题，例如开发基于漫反射光谱的光学导弹。这种技术的主要优点是漫反射器光谱有助于使用容易获得的材料来表示近红外线大脑区域不可见的活生物组织。创建单层凝胶模型需要使用模具。
表皮幻模由一块 1 毫米厚的亚克力板组成，切成 U 形。还有一个毫米厚的亚克力板尺寸来覆盖第一个板。该板形成模具的一侧。
第二个 2 毫米厚的板形成模具的另一侧。组件就位后，使用五个夹子固定它们。在 2-2 毫米厚的板之间用 5 毫米厚的 U 形亚克力板类似地构建真皮模型模具。
用夹子固定这些碎片。生产基材需要盐水溶液和琼脂糖粉。将 500 毫升生理盐水放入锅中。
然后搅拌，同时慢慢加入 5 克琼脂糖。添加温度计，将锅放在 1000 瓦设置的热板上 5 分钟。混合物沸腾后，将火调小火三分钟。
等待混合物冷却到约 70 摄氏度的温度，然后再倒入容器中。将其保存在 60 摄氏度的恒温浴中 30 分钟。表皮中的黑色素被表皮幻影中的咖啡溶液模拟。
通过在玻璃瓶中混合 4 毫升煮好的咖啡和 16 毫升盐水来制作它。接下来，将 5 毫升脂质乳剂放入透明塑料杯中，加入 10 毫升咖啡溶液。搅拌混合物，同时加入 35 毫升基材。
准备好表皮幻模并将混合物吸入注射器中。将混合物缓慢注入模具中，同时避免形成气泡。这个填充的模具可以冷却以产生凝胶。
取它在 5 摄氏度下冷却 20 分钟。冷却结束后，从模具中取出夹子。向外滑动其中一个亚克力块以将其移除。
从模具中取出 1 毫米厚的固化凝胶模型。使用手术刀将模型切割成所需的大小。然后，将凝胶模型放在两个载玻片之间。
首先在透明塑料杯中加入 5 毫升脂质乳剂。对于含氧血液，添加全马血。然后，在加入基材的同时搅拌混合物。
准备好真皮模型模具，将混合物吸入注射器中。将混合物慢慢注入模具中，避免形成气泡。这是填充并准备冷却后的模具。
取模具在 5 摄氏度下冷却 20 分钟。冷却后取回模具，取出夹子和一个外部亚克力片。从模具中取出暴露的 5 毫米厚的固化凝胶模型。
使用手术刀将其切割成所需的大小。将模型放在两个载玻片之间。对于脱氧模型，从含氧血液模型开始。
使用注射器将连二亚硫酸钠溶液滴在模型上，使血液脱氧。将模型放在两个载玻片之间，以防止其干燥。获得和表皮和真皮幻影。
将 0.1 毫升生理盐水滴在真皮体模上，以帮助光学耦合。然后将表皮模型放在皮肤模型和生理盐水溶液的顶部。对表面进行描边以推出层之间的任何气泡。
在两个载玻片之间构建两层模型，以防止其干燥。设置设备以测量反射光谱。测量的关键是一个积分球，它的一侧有一个样品架。
另一侧是一个光阱和一个入射光的入口。光谱仪用光纤从球体的探测器端口收集光。此示意图提供了设置的概述。
请注意，未使用的端口已堵塞，以防止光线进入球体。光源是 150 瓦卤素灯，带有导光板，使用消色差透镜将光线聚焦到样品上。打开卤素灯。
当它变暖时，移动到积分球的样品端口。在那里，将标准白色扩散器放在样品架上，准备进行测量。调整光谱仪积分时间并存储参考光谱。
将其中一个模型带到样品架上。将仍然夹在两张载玻片之间的模型放在样品端口，并准备进行另一次测量。测量传输的频谱并将数据存储到文件中。
要测量透射光谱，请更改设置以与此原理图一致。请注意，光现在通过样品端口中的样品进入积分球。其他端口已插入。
这是用于测量透射光谱的积分球。测量时，将模型夹在样品架中的两个载玻片之间。执行测量并保存数据。
这些光谱来自一个两层体模，真皮层中含有含氧血液，浓度为 3%光谱适用于表皮层中具有两种不同咖啡溶液浓度的样品。漫反射率随着模拟黑色素的咖啡溶液的增加而降低。这在短波长下尤其明显。
以下是表皮层中恒定咖啡溶液浓度为 7% 和真皮层中不同血液浓度的光谱。血红蛋白的强光吸收解释了 500 到 600 纳米范围内的光谱差异。漫反射光谱随血液的氧合状态而变化。
对于这些光谱中的每一个，表皮层中的咖啡溶液浓度固定为 7%，真皮层中的血液浓度固定为 3%收集的数据可用于通过逆蒙特卡洛模拟估计模型的光学特性。这些是计算出的平均降低散射系数光谱以及表皮层和真皮层的吸收系数的示例。一旦掌握，如果编程得当，这项技术可以在 6 小时内完成。
在制作模型时，重要的是要记住将基材保持在 60 摄氏度的恒温浴中。执行此过程，可以构建三层或四层模型来探索其他主题，例如具有更复杂原理图的生物组织的先前反射光谱的表示。开发后，这项技术为生物医学光学领域的研究人员开发光学导弹和系统的新方法铺平了道路。
观看此视频后，您应该对如何创建模拟生物组织中光传输的光学体模以及表征其光学特性有很好的了解。不要忘记，使用连二亚硫酸钠可能很危险，在制作含有含氧血液的真皮模型时，应佩戴适当的设备，例如谷歌、手套和口罩。
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概述
本研究展示了基于琼脂的组织模拟光学幻影的创建，并使用带有集成球体的传统光学系统确定其光学特性。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学光学
- 光学幻影
- 漫反射光谱
背景
- 基于漫反射光谱的光学技术解决了生物医学光学领域的关键问题。
- 可以使用容易获得的材料来表示活的生物组织。
- 单层凝胶幻影是使用模具创建的。
- 表皮幻影模具由切割成特定形状的亚克力板组成。
研究目的
- 开发模拟生物组织的光学幻影。
- 评估这些幻影的光学特性。
- 增强漫反射光谱技术。
使用的方法
- 创建基于琼脂的组织模拟幻影。
- 使用模具制作单层凝胶幻影。
- 使用集成球体确定光学特性。
- 应用漫反射光谱技术。
主要结果
- 成功制造了组织模拟光学幻影。
- 使用传统系统准确确定光学特性。
- 证明了漫反射光谱技术的有效性。
- 在研究生物组织方面的潜在应用。
结论
- 基于琼脂的幻影可以有效模拟生物组织。
- 使用的方法提供了可靠的光学特性测量。
- 本研究为生物医学光学的进步做出了贡献。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables the creation of tissue-mimicking optical phantoms using agarose and acrylic molds, providing a reproducible platform for evaluating light-tissue interactions in early-stage biomedical optics research. By simulating epidermal and dermal layers with tunable melanin and hemoglobin concentrations, the method supports mechanistic de-risking of optical sensor and imaging technologies before costly in vivo studies. The approach enhances predictive confidence in preclinical development by allowing systematic validation of diffuse reflectance spectroscopy systems under controlled, physiologically relevant conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of light absorption and scattering properties in layered tissue mimics to validate optical sensing hypotheses.
- Operational Value: Provides a standardized, tunable phantom system for consistent benchmarking across optical probe designs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports assay readiness by generating quantitative diffuse reflectance and transmittance spectra for optical property calibration.
- Operational Value: Facilitates high-reproducibility measurements using integrating sphere spectrometry, reducing variability in optical screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant optical property modeling through independent control of epidermal (melanin-like) and dermal (hemoglobin-like) layer composition.
- Operational Value: Allows replication of optical measurements across laboratories, supporting cross-functional validation of imaging and sensing prototypes.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by enabling early optical property characterization that informs probe design prior to lead identification and preclinical validation stages.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of light-tissue interaction models through systematic variation of phantom composition.
- Screening: Delivers reproducible optical readouts essential for assay standardization in photonics-based sensing platforms.
- Analytics: Provides absorption and reduced scattering coefficient spectra via inverse Monte Carlo simulation, enabling quantitative comparison of optical conditions.
- Translational Research: Connects discovery-stage optical characterization to preclinical continuity by mimicking key chromophores in human skin.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable phantom platform for iterative testing of multiple optical sensing configurations across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in optical property attribution through controlled, layered tissue mimics.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility in optical measurements via defined phantom preparation and measurement protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in optical technology development by providing preclinical predictive data on light-tissue interactions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of optical sensor candidates based on validated performance in biomimetic environments.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomaterials preparation and optical spectroscopy setup.
- Dependent on access to integrating sphere-equipped spectrometers and temperature-controlled agarose processing equipment.
- Necessitates cross-team standardization of phantom fabrication and measurement protocols for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when extending the approach to multi-layer or complex tissue mimics beyond two-layer skin models.
- Includes practical limitations such as phantom stability over time and potential optical scattering variability due to gel inhomogeneity.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:37
Preparation of an Acrylic Mold
1:22
Preparation of the Base Material
2:04
Preparation of an Epidermal Phantoms
3:18
Preparation of Dermal Phantoms Containing Oxygenated or Deoxygenated Blood
4:30
Preparation of a Two-layered Phantom
5:00
Acquisition of Diffuse Reflectance Spectra and Transmittance Spectra
6:40
Results: Diffuse Reflectance Spectra from Two-layer Skin Tissue Samples and Estimated Absorption and Scattering Properties
7:58
Conclusion
