Herstellung und Charakterisierung von optischen Gewebe Phantome, die Makrostruktur enthalten
12. Februar 2018
Optische Gewebe Phantome sind unverzichtbare Werkzeuge für Kalibrierung und Charakterisierung von optischen bildgebenden Systemen und Validierung von theoretischen Modellen. Dieser Artikel beschreibt eine Methode für die phantom Fertigung, die Replikation von optischen Gewebeeigenschaften und dreidimensionale Gewebestruktur enthält.
Das übergeordnete Ziel dieses Phantom Fabrication-Prozesses ist es, die Atemwege der Maus innerhalb eines optisch abgestimmten Polymers zu modellieren. Da die innere Struktur 3D-gedruckt ist, kann dieses Formverfahren auf eine Vielzahl anderer Anatomien angewendet werden. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Gewebeoptik zu beantworten, wie z.B. Gesundheit: Die dreidimensionale Anatomie kann den Lichttransport im Gewebe beeinflussen.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie an jede Struktur angepasst werden kann, die mit einem 3D-Drucker aufgelöst werden kann. Obwohl diese Methode als physikalisches Modell für den Lichttransport in der Lunge Erkenntnisse liefern kann, kann sie auch auf andere Systeme wie enge Systeme oder 3D-Modelle mit mehreren Materialien angewendet werden. Beginnen Sie mit der Herstellung einer Polydimethylsiloxan- oder PDMS-Platte des selektiven Rezepts zur Bestätigung der optischen Eigenschaften.
Gießen Sie unter Verwendung eines Gewichtsverhältnisses von 10:1 PDMS-Harz, Titandioxid, Tusche und PDMS-Härter in dieser Reihenfolge in den Mischbecher. Eine gründliche Mischung der Materialien ermöglicht ein modernistisches Material mit Absorptions- und Streueigenschaften. Dieser Schritt ist für reproduzierbare optische Eigenschaften unerlässlich.
Die Zutaten in einem Schnellmixer 60 Sekunden lang mixen. Wenn Titandioxidpartikel am Mixbecher haften bleiben, mischen Sie von Hand, um die Partikel vom Boden des Bechers zu entfernen, bevor Sie weitere 30 Sekunden im Mixer mischen. Gießen Sie dann die Mischung in Ross- oder Petrischale, um dünne Platten aus der Mischung zu machen.
Entgasen Sie die Brammen für 10 Minuten, indem Sie sie in eine luftdichte Unterdruckkammer legen. Anschließend die Platten für 30 bis 60 Minuten bei 80 Grad Celsius in den vorgeheizten Backofen geben. Nachdem Sie die Platten aus dem Ofen genommen und abkühlen gelassen haben, nehmen Sie die abgekühlte Polymerplatte aus ihrem Behälter.
Schneiden Sie dann die Kanten ab, um eine flache, gleichmäßige Platte zu erhalten. Messen Sie die Dicke der Platte mit Kalibern. Messen Sie anschließend den Transmissions- und Reflexionsgrad der Platten mit einer Ulbrichtkugel.
Schalten Sie die Lichtquelle und das Spektrometer des Ulbrichtkugel-Setups ein. Überprüfen Sie die Ausrichtung des Systems, um sicherzustellen, dass ein kleiner kollimierter Strahl auf den Ein- und Austrittsöffnungen der Ulbrichtkugel zentriert ist. Um das Ulbrichtkugelsystem zu kalibrieren, schalten Sie die Quelle aus und verschließen Sie den Ausgang der Ulbrichtkugel.
Nehmen Sie drei dunkle Spektren auf. Schalten Sie die Quelle wieder ein, um die Übertragungsreferenz zu erhalten, wobei der Ausgangsanschluss abgedeckt und der Eingangsanschluss leer ist. Nehmen Sie nun drei Spektren auf.
Als nächstes erhalten Sie Reflexionsreferenzmessungen mit Hilfe von Reflexionsnormalen. Platzieren Sie jede Norm an der Ausgangsöffnung der Kugel. Nehmen Sie drei Spektren für jedes Reflexionsnormal auf.
Messen Sie anschließend den Transmissionsgrad der Platte mit der Kappe an der Ausgangsöffnung. Platzieren Sie die Platte auf der Eintrittsöffnung der Ulbrichtkugel für die Transmissionsmessung. Nehmen Sie drei Spektren auf.
Um den Reflexionsgrad der Platte zu messen, entfernen Sie die Kappe der Ausgangsöffnung und setzen Sie die Platte für die Reflexionsmessung auf die Ausgangsöffnung. Nehmen Sie drei Spektren auf. Fahren Sie fort, um die optischen Eigenschaften zu bestimmen, wie im Textprotokoll beschrieben.
Wählen Sie ein auflösbares Material für den Druck, z. B. Polyvinylalkohol oder hochschlagfestes Polystyrol. Und drucken Sie das Volumenmodell in diesem auflösbaren Material. Wenn der Druck abgeschlossen ist, brechen, lösen oder bearbeiten Sie das Stützmaterial vom gedruckten Teil.
Feilen oder schleifen Sie alle großen Perfektionen ab. Das Dampfpolieren ist wichtig, um die Oberflächenrauheit zu kontrollieren. Die axiale Auflösung des 3D-Druckers ergibt eine raue innere Oberfläche, die zu einem diffusen Reflexionsgrad von dieser Oberfläche führt.
Um das gedruckte Teil dampfzu polieren, bohren Sie zunächst ein Durchgangsloch mit Freiraum für einen dünnen Stahl- oder Nitinoldraht in die Basis des gedruckten Teils, während es in einem Schraubstock befestigt ist. Schieben Sie als Nächstes einen Edelstahl- oder Nitinoldraht durch das Loch. Biege die Enden des Drahtes und hake sie miteinander ein.
Auf diese Weise kann das Teil vollständig in Acetondampf im Becherglas eingetaucht werden. Legen Sie dann den Draht und das Teil beiseite. Um das Einatmen von Acetondampf zu verhindern, füllen Sie in einem Abzug ein großes Becherglas, das etwa 10 % mit Aceton gefüllt ist, und stellen Sie es auf eine heiße Platte.
Anschließend auf 100 Grad Celsius erhitzen. Wenn die Kondensation des Acetondampfes etwa die Hälfte der Wand des Bechers erreicht, legen Sie den Schlaufendraht mit dem markierten Atemweg auf einen zweiten Draht und hängen Sie ihn 15 bis 30 Sekunden lang im Acetondampf. Stellen Sie sicher, dass die gedruckten Teile weder die Becherwände noch einander berühren.
Entfernen Sie das gedruckte Teil und hängen Sie es über das leere Becherglas oder den leeren Behälter. Lassen Sie das Teil mindestens 4 Stunden trocknen. Gießen Sie 9,1 g PDMS-Harz in einen Kunststoff-Mischbecher.
Fügen Sie 20 mg Rutiltitandioxid hinzu, gefolgt von 35 Mikrolitern Tusche. Zum Schluss 0,91 g des Härtungsmittels auf die Masse geben. Gießen Sie die fertige Polymermischung in die hitzebeständige Form.
Gießen Sie dann eine kleine Menge der Mischung in einen separaten Behälter, um eine Polymerplatte zur Bestätigung der optischen Eigenschaften des Materials zu erstellen. Legen Sie beide markierten Atemwegsformen in die separate Platte in eine Glocke zum Entgasen. Starten Sie den Vakuumvorgang.
Wenn das Polymer in der markierten Atemwegsform zu steigen beginnt, lassen Sie die Luft zurück in die Glasglocke, um die Oberflächenblasen zum Platzen zu bringen. Beginnen Sie dann wieder, Luft zu ziehen. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Polymer nicht mehr signifikant aufsteigt.
Dies dauert zwischen 5 und 10 Minuten, je nachdem, wie viel Luft beim Eingießen der Mischung in die Form eingeschlossen wurde. Sobald das PDMS nicht mehr ansteigt, fahren Sie mit der Entgasung für weitere 15 Minuten fort. Lassen Sie nach dem Entgasen die Luft langsam wieder in die Kammer zurück.
Entfernen Sie sowohl das markierte Atemwegsphantom als auch die Polymerplatte und stellen Sie sie für zwei Stunden bei 80 Grad Celsius in einen ebenen Ofen. Nehmen Sie das Phantom und die Platte aus dem Ofen und lassen Sie sie 20 Minuten abkühlen. Zerlegen Sie dann die Polymerform mit dem Skalpell, ohne das ausgehärtete Polymer zu schneiden.
Schnappen Sie die Hälfte der Grundplatte der markierten Atemwegsbasis ein. Legen Sie anschließend das Phantom in das erhitzte Natriumhydroxid-Basisbad, bis sich der innere Teil vollständig aufgelöst hat. Und ein optisch geklärtes referenziertes Phantom kann helfen, die Auflösungszeit für das interne Bauteil zu bestimmen.
Sobald die innere Struktur aufgelöst ist, nehmen Sie das Phantom aus dem Bad und lassen Sie es vollständig trocknen, bevor Sie optische Messungen durchführen. Nach der Überprüfung der Phantomgeometrie, wie im Textprotokoll beschrieben, überprüfen Sie die optischen Eigenschaften des Phantoms mit Hilfe der Polymerplatte und der Ulbrichtkugel. Gezeigt werden repräsentative Ergebnisse der Phantombildgebung und der Verifikation der inneren Struktur eines 3D-Lungenphantoms.
Dieinterne Beleuchtung mit grünem Licht eines optisch geklärten Phantoms zeigt die diffuse Reflexion von der Innenfläche, wenn das 3D-gedruckte Teil nicht aufgedampft wurde. Umgekehrt hat ein Phantom mit dampfpolierter Innenstruktur einen minimalen diffusen Reflexionsgrad an der Innenfläche. Phantome, die intern mit grünem Licht beleuchtet und mit externer Detektion abgebildet werden, zeigen eine andere Strahlenoberfläche, wenn unterschiedliche Konzentrationen optischer Partikel verwendet werden.
Das Phantom, das in diesem Video erzeugt wird, zeigt eine räumlich diffuse Oberflächenstrahlung. Ein Phantom mit der gleichen inneren Struktur, aber unterschiedlichen Konzentrationen von Titandioxid und Tusche hat jedoch eine viel höhere Absorption und ein anderes Strahldichteprofil, als es an der Oberfläche absorbiert wird. Da dieses Phantom Titandioxid und Tusche enthält, ist es optisch undurchsichtig, so dass eine Verifizierung der inneren Struktur mit Mikrocomputertomographie gezeigt wird.
Einmal gemeistert, kann diese Technik in zwei Tagen durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man optische Phantome mit einer 3D-gedruckten Struktur herstellt. Diese Technik der Phantomherstellung wird verwendet, um den Lichttransport in der Lunge von Mäusen zu erforschen und so Bildgebungssysteme zur Bakterienerkennung zu optimieren.
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Übersicht
Dieser Artikel stellt eine Methode zur Herstellung optischer Gewebe-Phantome vor, die die optischen Eigenschaften und dreidimensionalen Strukturen von Gewebe nachbilden. Der Schwerpunkt liegt auf der Modellierung der Maus-Luftwege in einem optisch angepassten Polymer unter Verwendung des 3D-Drucks für anpassbare anatomische Strukturen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Optische Abbildungssysteme
- Gewebephysik
- 3D-Drucktechnologie
Hintergrund
- Optische Gewebephantome sind entscheidend für die Kalibrierung von Bildgebungssystemen.
- Sie dienen der Validierung theoretischer Modelle in der Gewebeoptik.
- Mittels 3D-Druck können komplexe anatomische Strukturen reproduziert werden.
- Diese Methode lässt sich an verschiedene biologische Systeme anpassen.
Zweck der Studie
- Herstellung von Phantomen, die Geweeigenschaften genau modellieren.
- Untersuchung, wie die dreidimensionale Anatomie den Lichttransport beeinflusst.
- Gewinnung von Erkenntnissen zum Lichttransport in der Lunge und anderen Systemen.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer Polydimethylsiloxan-(PDMS-)Platte.
- 3D-Druck anatomischer Strukturen für die optische Modellierung.
- Anpassung der Phantome für verschiedene biologische Anwendungen.
- Überprüfung der optischen Eigenschaften durch experimentelle Bestätigung.
Hauptergebnisse
- Die Methode reproduziert erfolgreich die optischen Eigenschaften von Gewebe.
- Maßgeschneiderte Phantome können für verschiedene Strukturen erstellt werden.
- Es wurden Erkenntnisse über die Mechanismen des Lichttransports in Geweben gewonnen.
- Die potenziellen Anwendungen erstrecken sich auf verschiedene biologische Systeme.
Schlussfolgerungen
- Optische Gewebe-Phantome sind wertvoll für die Forschung in der Gewebeoptik.
- Der 3D-Druck verbessert die Fähigkeit, komplexe Anatomien zu modellieren.
- Diese Technik eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Licht-Gewebe-Wechselwirkungen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Optische Gewebephantome mit 3D-struktureller Komplexität ermöglichen eine reproduzierbare Bewertung von Bildgebungssystemen, ohne auf Tierversuche angewiesen zu sein, wodurch die Kosten und Zeiträume für die präklinische Validierung reduziert werden. Indem sie optische Gewebegenschaften und anatomische Merkmale wie Atemwege oder Gefäßstrukturen nachahmen, unterstützen diese Phantome die mechanistische Risikominderung optischer Sensorsysteme in der frühen Forschung. Dieser Ansatz erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Identifizierung von Leitverbindungen, indem er eine einstellbare, skalierbare Plattform zur Beurteilung von Licht-Gewebe-Wechselwirkungen über verschiedene biologische Systeme hinweg bereitstellt.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung, wie dreidimensionale anatomische Strukturen den Lichttransport in gewebeähnlichen Umgebungen beeinflussen.
- Operativer Wert: Unterstützt die Hypothesenprüfung optischer Bildgebungsproben in kontrollierten, reproduzierbaren Phantommodellen.
- Prädiktiver Wert: Erleichtert die biologische Risikominimierung, indem Phantom-basierte Signalabläufe mit strukturellen und optischen Variablen korreliert werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet standardisierte, einstellbare optische Hintergründe zur quantitativen Beurteilung der Probenspezifität und der Signal-Rausch-Verhältnisse.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Reproduzierbarkeit von Assays durch präzise Steuerung von Absorption und Streuung mittels Titandioxid- und Tuscheformulierungen.
- Skalierbarkeit: Ermöglicht die Herstellung mehrerer Phantomvarianten zur parallelen Untersuchung von Bildgebungsbedingungen oder Probenkonzentrationen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Kontinuität: Verbindet optische Messungen in der Entdeckungsphase mit der präklinischen Validierung, indem die lichtabschwächenden und streuenden Eigenschaften von Geweben simuliert werden.
- Krankheitsrelevante Systeme: Modelliert Atemwegserkrankungen, bei denen die dreidimensionale Struktur die Bildqualität beeinflusst, und unterstützt so die Zielstrukturvalidierung in der Atemtherapeutika-Forschung.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem optische Störgrößen frühzeitig im Entwicklungsprozess identifiziert werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in frühe Entdeckungsworkflows, indem sie eine hypothesengetriebene Bewertung ermöglicht, wie sich anatomische Komplexität auf die Erzeugung und Detektion optischer Signale auswirkt, und somit die Probengestaltung vor der Optimierung der Leitsubstanzen beeinflusst.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt das mechanistische Verständnis der Lichtausbreitung in strukturierten Geweben und hilft dabei, bildgebende Verfahren mit ausreichender Eindringtiefe und Kontrast zu wählen.
- Screening: Liefert quantitative Durchlass- und Reflexionswerte, die die Standardisierung der Bildgebungsbedingungen über Substanz- oder Sondenbibliotheken hinweg ermöglichen.
- Analytik: Erzeugt reproduzierbare Messungen optischer Eigenschaften (Absorptions- und Streukoeffizienten), die eine Datennormalisierung und den Vergleich zwischen Experimenten ermöglichen.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Validierung präklinischer Bildgebung, indem sie eine gewebenachahmende Plattform zur Beurteilung der Signalgenauigkeit in anatomisch komplexen Modellen bereitstellt.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine modulare Plattform zur Phantomherstellung, die durch 3D-gedruckte Formen an verschiedene Organsysteme (z. B. Lunge, Gefäßsystem, Nervengewebe) angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei optischen Abbildungssystemen, indem signalbedingte Variabilität aufgrund der Gewebestruktur reduziert wird.
- Operativer Wert: Gewährleistet Reproduzierbarkeit durch standardisierte Materialrezepturen (PDMS, TiO₂, Tusche) und validierte Charakterisierungsprotokolle mittels Integrationskugelspektrometrie.
- Strategischer Wert: Verringert die Abhängigkeit von ex-vivo-Gewebe und Tierversuchen für frühe Machbarkeitsstudien und verbessert so die Kapitalnutzung bei der Sondenentwicklung.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine objektive, physikbasierte Bewertung von Abbildungstechnologien und unterstützt dadurch eine risikoadjustierte Priorisierung optischer Sensorsystemprojekte.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Messung optischer Eigenschaften, der Polymere vermischung sowie in 3D-Nachbearbeitungstechniken wie der Dampfpolitur.
- Setzt den Zugang zu Integrationskugelspektrometern, Vakuum-Entgasungskammern und temperaturgeregelten Öfen zur Aushärtung der Materialien voraus.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen bei der Herstellung von Phantomen, um eine konsistente Übereinstimmung der optischen Eigenschaften von Charge zu Charge sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Übertragung des Atemwegmodells auf andere anatomische Strukturen (z. B. vaskuläre Netzwerke, Tumorsphäroide) durch Modifikationen im Design der 3D-gedruckten Formen.
- Wird durch die optische Auflösung des 3D-Drucks begrenzt, die eine Oberflächenrauhigkeit verursachen kann, die einer Nachbearbeitung bedarf, um artefaktbehaftete Reflexionen zu minimieren.
