基于琼脂糖的组织模拟光学仿体用于漫反射光谱分析

这种导弹有助于解决生物医学光学领域的一些关键问题，例如基于漫反射光谱的光学导弹的开发。该技术的主要优势在于，漫反射光谱能够利用 readily available 的材料，对近红外光难以穿透的活体生物组织进行表征。单层凝胶仿体的制备需要使用模具。

表皮模拟物模具由一块一毫米厚的丙烯酸板切割成U形构成。另有一块两毫米厚的丙烯酸板用于覆盖第一块板，该板形成模具的一侧。

另一块两毫米厚的平板构成模具的另一侧。将各组件就位后，使用五个夹子固定。真皮仿体模具的构建方式类似，即在两块两毫米厚的平板之间放置一块五毫米厚的U形丙烯酸板。

用夹子固定这些部件。制备基础材料需要生理盐水和琼脂糖粉末。将500毫升生理盐水倒入锅中。

然后在缓慢加入五克琼脂糖的同时进行搅拌。插入一支温度计，并将容器置于设定为1000瓦的加热板上加热五分钟。待混合物沸腾后，调至低温继续加热三分钟。

将混合物冷却至约 70 摄氏度后，再倒入容器中。将其置于 60 摄氏度的恒温水浴中保持 30 分钟。表皮模型中的表皮黑色素由咖啡溶液模拟。

在玻璃瓶中混合 4 毫升冲泡好的咖啡和 16 毫升生理盐水制备该溶液。接着，将 5 毫升脂质乳剂加入透明塑料杯中，再加入 10 毫升上述咖啡溶液。在搅拌过程中加入 35 毫升基础材料。

准备好表皮模拟模具，将混合物吸入注射器中。缓慢将混合物注入模具内，避免产生气泡。注满的模具即可进行冷却，以形成凝胶。

在5摄氏度下冷却20分钟。冷却结束后，从模具上取下夹具。将其中一块丙烯酸材料向外滑动，将其取出。

从模具中取出一毫米厚的凝固凝胶仿体。使用外科手术刀将仿体切割至所需尺寸。然后，将凝胶仿体置于两片玻璃载片之间并固定。

从一个透明塑料杯中的 5 毫升脂质乳剂开始。对于氧合血液，加入全马血。然后，在加入基础材料的同时搅拌混合物。

准备好皮肤仿体模具，将混合物吸入注射器中。缓慢将混合物注入模具，避免产生气泡。此处所示为模具注满后、准备冷却的状态。

将模具置于5 °C条件下冷却20分钟。冷却后取出模具，移除夹子及一侧外部的亚克力板，从模具中取出暴露的、厚度为5 mm的凝固凝胶仿体。

使用手术刀将其切割至所需尺寸。将模体置于两片玻璃载片之间并固定。对于脱氧模体，需先从含氧血液模体开始。

使用注射器将连二亚硫酸钠溶液滴加到模型上，以使血液脱氧。将模型置于两片玻璃载玻片之间并保持固定，防止其干燥。获取表皮模型和真皮模型各一个。

滴加 0.1 毫升生理盐水溶液至真皮模拟层表面，以促进光学耦合。然后将表皮模拟层置于真皮模拟层和生理盐水溶液之上。轻拭表面，排出各层间可能存在的气泡。

将双层幻影样本置于两片玻璃载玻片之间以防止其干燥。设置装置以测量反射光谱。测量的关键部件是积分球，其一侧设有样品支架。

另一侧设有光陷阱和入射光入口端口。光谱仪通过积分球的检测端口处的光纤收集光线。该示意图提供了整个装置的概览。

请注意，未使用的端口应使用堵头封闭，以防止光线进入积分球。光源为150瓦卤素灯，通过使用消色差透镜的导光管将光线聚焦到样品上。打开卤素灯。

当温度升高后，将样品移至积分球的样品端口。将标准白色漫射器放置在样品支架上，准备进行测量。调节光谱仪的积分时间，并保存参考光谱。

取一个模体送至样品架。将仍夹在两片玻璃载片之间的模体置于样品端口，准备进行下一次测量。测量透射光谱并将数据保存至文件。

为测量透射光谱，需调整装置，使其与该示意图保持一致。注意，此时光线通过样品端口中的样品后进入积分球。其余端口均被堵住。

这是准备用于测量透射光谱的积分球。进行测量时，将夹在两张玻璃载片之间的仿组织样本放入样品架中，执行测量并保存数据。

这些光谱来自一个双层模型，其真皮层含有氧合血红蛋白，浓度为3%。光谱对应于表皮层中咖啡溶液浓度不同的两个样本。随着模拟黑色素的咖啡溶液浓度增加，漫反射率降低，这在较短波长处尤为明显。

以下是表皮层中咖啡溶液浓度恒定为7%、真皮层中血红蛋白浓度变化时的光谱。血红蛋白对光的强吸收解释了500至600纳米范围内光谱的差异。漫反射光谱随血液的氧合状态而变化。

对于每条光谱，表皮层中咖啡溶液的浓度固定为7%，真皮层中血液的浓度固定为3%。所采集的数据可用于通过逆向蒙特卡罗模拟估算仿组织体的光学特性。这些是计算得到的表皮层和真皮层平均约化散射系数光谱及吸收系数的示例。一旦掌握该技术，若编程得当，可在六小时内完成。

制作仿体时，重要的是要记住将基础材料置于60摄氏度的恒温水浴中。通过此操作，可构建三层或四层的仿体，以研究更复杂的生物组织前向反射光谱表征等其他课题。该技术发展后，为生物医学光学领域的研究人员探索新型光学成像方法和系统开辟了道路。

观看本视频后，您应能充分理解如何制备模拟生物组织中光传输特性的光学仿体，并掌握表征其光学性质的方法。请注意，连二亚硫酸钠的操作可能存在危险，在制备含有氧合血液的皮肤仿体时，应佩戴适当的防护装备，如护目镜、手套和面罩。