El recubrimiento de espín, la impresión de polirreactores y el modelado de deposición fundida están integrados para producir fantasmas heterogéneos multicapa que simulan las propiedades estructurales y funcionales del tejido biológico.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Impresión 3D multimodal de fantasmas para simular tejido biológico
* These authors contributed equally
En este artículo
Resumen
Resumen
La imagen óptica biomédica está desempeñando un papel importante en el diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades. Sin embargo, la precisión y la reproducibilidad de un dispositivo de imagen óptica se ven muy afectadas por las características de rendimiento de sus componentes, el entorno de prueba y las operaciones. Por lo tanto, es necesario calibrar estos dispositivos mediante estándares fantasma trazables. Sin embargo, la mayoría de los fantasmas disponibles actualmente son fantasmas homogéneos que no pueden simular características multimodales y dinámicas del tejido biológico. Aquí, mostramos la fabricación de fantasmas heterogéneos de simulación de tejido utilizando una línea de producción que integra un módulo de recubrimiento de espín, un módulo de polijet, un módulo de modelado de deposición fusionada (FDM) y un marco de control automático. La información estructural y los parámetros ópticos de un "fantasma óptico digital" se definen en un archivo prototipo, importado a la línea de producción y fabricados capa por capa con interruptor secuencial entre diferentes modalidades de impresión. La capacidad técnica de una línea de producción de este tipo se ejemplifica con la impresión automática de fantasmas que simulan la piel que componen la epidermis, la dermis, el tejido subcutáneo y un tumor incrustado.
Introducción
Las imágenes ópticas biomédicas representan una familia de herramientas de imágenes médicas que detectan enfermedades y anomalías tisulares basadas en interacciones lumígicas con tejido biológico. En comparación con otras modalidades de diagnóstico por imágenes, como la resonancia magnética (RM) y la tomografía computarizada (TC), las imágenes ópticas biomédicas aprovechan la medición no invasiva de características estructurales, funcionales y moleculares del tejido utilizando dispositivos portátiles y de bajo costo1,2,3,4. Sin embargo, a pesar de su superioridad en costo y portabilidad, las imágenes ópticas no han sido ampliamente aceptadas para el diagnóstico clínico y la orientación terapéutica, en parte debido a su mala reproducibilidad y falta de mapeo cuantitativo entre parámetros ópticos y biológicos. La razón principal de esta limitación es la falta de normas trazables para la calibración cuantitativa y validación de dispositivos de imágenes ópticas biomédicas.
En el pasado, se desarrollaron una variedad de fantasmas que simulan tejidos para la investigaciónde imágenes ópticas biomédicas en varios tipos de tejidos, tales como cerebro5,6,7, piel 8,9,10,11,12, vejiga13, y tejidos mamarios14,15,16,17. Estos fantasmas son producidos principalmente por uno de los siguientes procesos de fabricación: 1) recubrimiento de espín10,18 (para simular tejido homogéneo y de capa delgada); 2) moldeo19 (para simular tejido voluminoso con características geométricas); y 3) impresión tridimensional (3D)20,21,22 (para simular tejido heterogéneo multicapa). Los fantasmas de la piel producidos por el moldeo son capaces de imitar las propiedades ópticas a granel del tejido de la piel, pero no pueden simular las heterogeneidades ópticas laterales19. Bentz et al. utilizaron un método de impresión 3D FDM de dos canales para imitar diferentes propiedades ópticas del tejido biológico23. Sin embargo, el uso de dos materiales no puede simular suficientemente la heterogeneidad óptica del tejido y la anisotropía. Lurie et al. crearon un fantasma de vejiga para la tomografía de coherencia óptica (OCT) y la cistoscopia combinando la impresión 3D y el recubrimiento de espín13. Sin embargo, las características heterogéneas del fantasma, como los vasos sanguíneos, tuvieron que ser pintadas a mano.
Entre los procesos de fabricación fantasma anteriores, la impresión 3D proporciona la mayor flexibilidad para simular las heterogeneidades estructurales y funcionales del tejido biológico. Sin embargo, muchos tipos de tejido biológico, como el tejido de la piel, consisten en componentes multicapa y multiescala que no se pueden duplicar eficazmente mediante un único proceso de impresión 3D. Por lo tanto, la integración de múltiples procesos de fabricación es necesaria. Proponemos una línea de producción de impresión 3D que integra múltiples procesos de fabricación para la producción automática de tejidomultinivel y multiescala simulando fantasmas como un estándar trazable para imágenes ópticas biomédicas(Figura 1). Aunque el recubrimiento de espín, la impresión de polijet y el FDM están automatizados en nuestra línea de producción de impresión 3D, cada modalidad conserva las mismas características funcionales que los procesos establecidos. Por lo tanto, este documento proporciona una guía general para producir fantasmas de simulación de tejido multiescala, multicapa y heterogéneos sin necesidad de integración física de múltiples procesos en un solo aparato.
Figura 1: El diagrama CAD de la línea de producción de impresión 3D. (A) La línea de producción de impresión 3D con el vaciado superior eliminado. (B) El esquema del módulo de recubrimiento de espín y el módulo de mano mecánico. (C) El esquema del módulo de impresión de polirreactor. (D) El esquema del módulo de impresión FDM (la lámpara UV pertenece al módulo de impresión de polirreactor). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
1. Preparación de materiales para impresión 3D
NOTA: Nuestra línea de producción óptica fantasma utiliza una variedad de materiales de impresión para simular las heterogeneidades estructurales y funcionales del tejido biológico. La selección de los materiales de impresión también depende de los procesos de fabricación.
- Preparación de materiales para la impresión de recubrimiento de espín
- Añadir 100 mg de polvo de dióxido de titanio (TiO2)en un vaso de precipitados que contenga 100 ml de resina de fotopolímero de estereolitografía (SLA).
- Revuelva la mezcla en el vaso de precipitados durante 30 minutos sobre un agitador magnético.
- Selle el vaso de precipitados con papel de aluminio y sonicarlo en una máquina ultrasónica durante 15 minutos.
- Vacíe el material durante 10 minutos y cárguelo en la jeringa de almacenamiento del dispositivo.
- Preparación de materiales para impresión de polijet
- Añadir 17,56 g de 2-hidroxi-2-metilpropiofenoa (1-hidroxiciclohexil cetona de fenilo) en el vaso de precipitados que contiene 80 g de dimetalacrilato de trietilenglicol para obtener 18% (p/p) material.
- Selle el vaso de precipitados con papel de aluminio y sonicarlo en una máquina ultrasónica durante 15 minutos.
- Sacar 20 ml de la mezcla y añadir 5 mg de tinte rojo chino soluble en aceite en ella. Repita el paso 1.2.2.
- Vacíe todos los materiales, cargue la solución con tinte en los cartuchos para el canal Y (amarillo) y cargue la solución pura en los cartuchos para el canal K (negro).
- Preparación de materiales para la impresión FDM
- Cargue 200 g de cera de gel en cada uno de los tres vasos de precipitados y luego calientelos a 60 oC en un agitador magnético.
- Añadir 600 mg de polvo de TiO2 en el primer vaso de precipitados. Añadir 80 mg de polvo de grafito en el segundo.
- Revuelve la cera de gel mezclada con TiO2 y la cera de gel mezclada con polvo de grafito en diferentes vasos durante 30 minutos en el agitador magnético.
- Vacíe los tres materiales diferentes durante 2 min y cárguelos en el extrusor del módulo híbrido de tres boquillas antes de la solidificación.
2. Preparación de modelos informáticos para impresión 3D multimodal
NOTA: El tejido cutáneo heterogéneo se simplifica en tres capas: epidermis, dermis y tejido subcutáneo. La capa de epidermis se produce mediante recubrimiento de espín utilizando el material introducido en el paso 1.1. La capa de dermis se produce mediante la impresión de polichorro utilizando el polímero fotosensible introducido en el paso 1.2. La capa de tejido subcutáneo es producida por FDM utilizando el material introducido en el paso 1.3. Se genera un prototipo de archivo de diseño asistido por ordenador (CAD) de diferentes parámetros de impresión para guiar los procesos de fabricación antes mencionados.
- Diseño de un fantasma óptico digital para la piel
- Diseñar el fantasma de la piel con las siguientes tres capas: una capa de epidermis de 100 m de espesor, una capa de dermis de 400 m de espesor, y un tejido subcutáneo de 1 cm de espesor.
- Dibuje un modelo de tumor utilizando un paquete de software de modelado 3D (por ejemplo, Solidworks)(Figura 5A).
- Ajuste de parámetros para el recubrimiento de espín
- Establezca los parámetros de velocidad y duración de rotación en el software de control del dispositivo de impresión. La velocidad de recubrimiento de giro de la primera etapa utilizada en esta demostración es de 200 revoluciones por minuto (rpm), el tiempo de recubrimiento de espín es de 20 s, la velocidad en el recubrimiento de giro de la segunda etapa es de 1.000 rpm, y el tiempo de recubrimiento de espín es de 40 s.
- Establezca la cantidad de material de recubrimiento de espín como 3 ml y el tiempo de fotocurado como 180 s en el software de control.
- Preparación del archivo fuente para la impresión de polijet
- Importe la imagen del vaso sanguíneo que se imprimirá en el paquete de software AcroRIP Color y establezca los parámetros (posición de impresión y cantidad de inyección de tinta) de acuerdo con la relación entre los parámetros ópticos de los fantasmas impresos y las propiedades de la imagen. En esta imagen de vaso sanguíneo impreso, el canal K está cargado con un material fotocurable transparente, y el canal Y se carga con un material fotocurable mezclado con tinte rojo chino.
- Genere un archivo ".prn" con parámetros definidos para la impresión 3D.
- Preparación del código G para la impresión FDM
- Dibuje un modelo de frustum con un paquete de software de mapeo 3D (por ejemplo, Solidworks) para simular un tumor.
- Importe el archivo ".stl" del modelo de tumor en un paquete de software Cura instalado con un script de corte de boquilla todo en uno.
- Corte el modelo para generar el código G necesario para la impresión.
- Carga de los documentos en el software de control de impresión
- Haga clic en el elemento de menú"Archivo"en la barra de menús, seleccione el elemento de submenú "Importar archivo deimpresión UV"y cargue los archivos ".prn" de impresión UV introducidos en el paso 2.3.
- Cargue el código G generado en el paso 2.4 en el software de control de impresión como en el paso 2.5.1.
- Haga clic en el botón Iniciar impresión para iniciar el procedimiento de impresión 3D automatizado.
3. Impresión del componente fantasma de la capa de epidermis de la piel por recubrimiento de espín
NOTA: El módulo de recubrimiento de espín se compone principalmente de tres partes: 1) una recubridora de espín; 2) un dispensador de pegamento; y 3) una lámpara UV.
- Mueva el sustrato de la estación de carga a la etapa de muestra de la recubridora de espín con una mano mecánica. Inicie la bomba de vacío para fijar el sustrato por adsorción.
- El dispensador de pegamento controla la jeringa para gotear el material introducido en el paso 2.2.2 en el centro del sustrato.
- El recubridor de giro comienza a funcionar siguiendo los parámetros de velocidad y tiempo establecidos.
- Baje la lámpara UV (longitud de onda: 395 nm) y enciéndala durante 180 s.
- Levante la lámpara UV, apague el spin-coater e imprima la capa de epidermis de la piel.
4. Impresión del componente fantasma de la capa de dermis de la piel mediante polijetting
NOTA: El módulo de impresión de polijet consta de una boquilla de inyección de tinta piezoeléctrica, una plataforma móvil tridimensional, un panel de control y una lámpara UV (lámpara de mercurio). El material fotocurable a base de disolventes, el material de absorción y el material de dispersión se utilizan como matriz. Diferentes parámetros ópticos se obtienen mediante la pulverización de materiales en diferentes proporciones en diferentes regiones. Por último, el fantasma de la capa de dermis se imprime y se cura capa por capa.
- Mueva el sustrato a la plataforma móvil 3D y abra la válvula de aspiración para adsorbe el sustrato en la plataforma.
- La plataforma móvil 3D mantiene el sustrato en la posición inicial de la impresora UV.
- Empuje la impresora de inyección de tinta a la posición de trabajo por el cilindro, y la impresora de inyección de tinta funciona el tiempo especificado en el archivo ".prn" enviado por el equipo host. Aquí, la señal de alimentación de papel de la impresora de inyección de tinta se utiliza para impulsar el movimiento de la plataforma móvil del eje Y.
- La impresora de inyección de tinta imprime la capa diseñada en el paso 2.5.1 y el cilindro vuelve a colocar la impresora de inyección de tinta en la posición original. El eje Y de la plataforma móvil 3D colocada con el sustrato se inicializa moviéndose a su posición inicial.
- El sustrato se mueve 50 mm en la dirección positiva del eje Y. La lámpara UV es empujada hacia abajo por el cilindro (10 mm por encima del sustrato).
- Encienda la lámpara UV durante 180 s según el ajuste del tiempo de curado.
- Empuje la lámpara UV a la posición inicial con el cilindro. El eje Y de la plataforma móvil 3D colocada con el sustrato se inicializa y vuelve a su posición inicial.
- Mueva la plataforma móvil 3D colocada con el sustrato hacia abajo en 0,1 mm a lo largo del eje Z.
- Repita los pasos 4.1–4.8 para imprimir la siguiente capa hasta que se complete la impresión multicapa.
5. Impresión del componente fantasma de tejido subcutáneo por FDM
NOTA: El módulo FDM se compone de un módulo híbrido de tres cabezas, un módulo de una sola cabeza y una plataforma móvil 3D. La cera de gel, el material absorbente y el material de dispersión se utilizan como materias primas para preparar un fantasma que simula tejido subcutáneo/tumor. La cera de gel se calienta y se derrite en el alimentador. Uniformemente agitado por el cabezal de extrusión, se extruye para imprimir los fantasmas finales con los parámetros ópticos deseados.
- Encienda la potencia de calentamiento del módulo de la boquilla y ajuste la temperatura a 60 oC.
- Mueva la boquilla de mezcla a la posición de trabajo empujando el cilindro.
- El módulo FDM recibe los comandos de código G enviados por el ordenador host, y la boquilla de mezcla se calienta hasta 68 oC.
- Encienda el motor de agitación y mezcle bien los materiales.
- Inicializar la plataforma móvil 3D y los ejes XYZ se mueven a la posición inicial.
- El proceso de impresión se ejecuta siguiendo los comandos de código G. En un procedimiento de impresión capa por capa, los materiales se extruyen en proporción a la relación de mezcla que determina los parámetros ópticos del fantasma en cada capa. La impresión continúa hasta que la porción de tejido subcutáneo o la parte del tumor esté completamente impresa.
- Mueva el módulo de la boquilla de mezcla a la posición inicial empujando el cilindro.
ADVERTENCIA: Debido a que el polvo de grafito tiene una fuerte absorción de la luz, debe mezclarse de la forma más uniforme posible para evitar cambios en los parámetros ópticos inducidos por la agregación. TiO2 polvo de gran tamaño de partícula precipita fácilmente y afecta a la precisión de colocación del material, por lo que es necesario mezclarlo completamente. TiO2 debe reemplazarse si se almacena durante mucho tiempo.
6. Mover el sustrato de vuelta a la estación de carga
- Inicializar la plataforma móvil 3D y mover el eje XYZ a la posición inicial. Mueva la plataforma móvil 3D a la ubicación de entrega.
- Mueva la mano mecánica a la posición por encima del sustrato empujando el cilindro.
- Recoja el sustrato y muévalo sobre la estación de carga con la mano mecánica. Coloque el sustrato en la estación de carga y complete la impresión automatizada.
7. Fundición del componente fantasma de la capa de tejido subcutáneo mediante moldeo
NOTA: Si el modelo tumoral para el fantasma está diseñado, será necesario fundir todo el fantasma vertiendo el polidimetilsiloxano (PDMS) fuera del tumor. Los pasos 7.1–7.3 no son necesarios para que el módulo FDM imprima la capa de tejido subcutáneo sin un tumor.
- Presione sobre un sustrato con un molde rectangular impreso en 3D.
- Vierta el líquido PDMS en el molde.
- Colocar el sustrato en una incubadora y conservarlo a 60oC durante 2 h.
- Retire el fantasma del sustrato.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
Phantom fabricado por recubrimiento de espín
El recubrimiento de espín distribuye uniformemente las gotas en el sustrato girando el plato giratorio, y una sola capa del cuerpo original se fabrica después del curado. La velocidad de rotación del sustrato y el tiempo de rotación no sólo afectan a la calidad superficial del fantasma, sino que también determinan el grosor de cada capa del fantasma. Los fantasmas de diferentes espesores se pueden fabricar mediante recubrimiento de espín repetitivo capa por...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
En la fabricación del fantasma multicapa, el material utilizado para el recubrimiento de espín es una especie de material curable a la luz en lugar de PDMS. La capa intermedia se imprime con el método de impresión de polijet, que utiliza la resina curable a la luz como materia prima. Aunque los fantasmas delgados de PDMS se pueden hacer mediante recubrimiento de espín después de agregar alcohol tert-butilo, una capa PDMS no puede unirse eficazmente al material curable durante la impresión de polijet. Por lo tanto, elegim...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant No. 11002139 y 81327803) y los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales. Agradecemos a Zachary J. Smith de la Universidad de Ciencia y Tecnología por proporcionar la voz en off de audio.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 2-hidroxi-2-metilpropiofenona | aladdina | H110280-500g | Iniciador de luz http://www.aladdin-e.com/ |
| Sistema de control de impresión 3D | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | hecho a medida github: https://github.com/macanzhen/ |
| Sistema de impresión 3D | USTC-3DPrinter1.0 | ||
| AcroRip color | a medida Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| Script de corte de boquilla todo en uno | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ | |
| Chinese Red Dye | Juents | Aceit-soluble | |
| en aceite Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Cera de gel | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | Punto | de fusión LP: 56 ° C |
| Grafito | aladdin | G103922-100g | Cambiar los parámetros de absorción óptica del objeto http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Dióxido de titanio | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Aladino dimetacrilato de trietilenglicol | T101642-250ml | Monómero fotocurado http://www.aladdin-e.com/ | |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
Referencias
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901(2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760(2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , Optical Society of America. 80911(2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , International Society for Optics and Photonics. 85830(2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003(2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , International Society for Optics and Photonics. 932507(2015).
- Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009(2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6(2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012(2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , International Society for Optics and Photonics. 93250(2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578(2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780(2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311(2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427(2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
