Fabricación y caracterización de tejido óptico fantasmas que contiene macroestructura
12 de febrero de 2018
Fantasmas de tejido óptico son herramientas esenciales para la calibración y caracterización de sistemas de proyección de imagen ópticos y validación de modelos teóricos. Este artículo detalla un método para la fabricación de fantasma que incluye replicación de propiedades ópticas del tejido y estructura tridimensional del tejido.
El objetivo general de este proceso de fabricación fantasma es modelar las vías respiratorias del ratón dentro de un polímero ajustado ópticamente. Dado que la estructura interna está impresa en 3D, este proceso de moldeo se puede aplicar a una variedad de otras anatomías. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la óptica de tejidos, como la anatomía tridimensional de la salud puede afectar el transporte de luz en los tejidos.
La principal ventaja de esta técnica es que es personalizable para cualquier estructura que pueda ser resuelta por una impresora 3D. Aunque este método puede proporcionar información como modelo físico para el transporte de luz en el pulmón, también se puede aplicar a otros sistemas, como sistemas cercanos o modelos 3D con múltiples materiales. Comience con la fabricación de una losa de polidimetilsiloxano o PDMS del recepia selectiva para confirmar las propiedades ópticas.
Usando una proporción de 10:1 en peso de agente de curado de resina PDMS, vierta la resina PDMS, el dióxido de titanio, la tinta china y el agente de curado PDMS en la taza mezcladora en ese orden. La mezcla minuciosa de materiales permitirá un material modernista con propiedades de absorción y dispersión. Este paso es integral para propiedades ópticas reproducibles.
Mezcle los ingredientes en una batidora rápida durante 60 segundos. Si las partículas de dióxido de titanio se adhieren a la taza mezcladora, mezcle a mano para eliminar las partículas de la base de la taza antes de mezclar en la batidora durante otros 30 segundos. A continuación, vierta la mezcla en placas Ross o Petri para hacer losas finas de la mezcla.
Desgasifique las losas durante 10 minutos colocándolas en una cámara hermética de presión negativa. Luego coloque las losas en un horno precalentado a 80 grados centígrados durante 30 a 60 minutos. Después de sacar las losas del horno y dejar que se enfríen, retire la losa de polímero enfriada de su recipiente.
A continuación, recorte los bordes para dejar una losa plana y uniforme. Mida el espesor de la losa usando calibres. A continuación, mida la transmitancia y reflectancia de las losas utilizando una esfera integradora.
Encienda la fuente de luz y el espectrómetro de la configuración de la esfera integradora. Verifique la alineación del sistema para asegurarse de que un pequeño haz colimado esté centrado en los puertos de entrada y salida de la esfera integradora. Para calibrar el sistema de esfera integradora, apague la fuente y tape el puerto de salida de la esfera integradora.
Graba tres espectros oscuros. Vuelva a encender la fuente para obtener la referencia de transmisión con el puerto de salida tapado y el puerto de entrada vacío. Ahora graba tres espectros.
A continuación, obtenga las mediciones de referencia de reflectancia utilizando estándares de reflectancia. Coloque cada estándar en el puerto de salida de la esfera. Registre tres espectros para cada patrón de reflectancia.
A continuación, mida la transmitancia de la losa con la tapa en el puerto de salida. Coloque la losa en el puerto de entrada de la esfera integradora para la medición de transmisión. Graba tres espectros.
Para medir la reflectancia de la losa, retire la tapa del puerto de salida y coloque la losa en el puerto de salida para la medición de la reflectancia. Graba tres espectros. Proceda a determinar las propiedades ópticas como se describe en el protocolo de texto.
Seleccione un material soluble para la impresión, como alcohol polivinílico o poliestireno de alto impacto. E imprime el modelo sólido en este material soluble. Cuando la impresión esté completa, rompa, disuelva o mecanize el material de soporte de la pieza impresa.
Lime o lije cualquier gran perfección. El pulido con vapor es importante para controlar la rugosidad de la superficie. La resolución axial de la impresora 3D dará una superficie interna rugosa que causará una reflectancia difusa fuera de esa superficie.
Para pulir con vapor la pieza impresa, primero taladre un orificio pasante con espacio para un alambre delgado de acero o nitinol en la base de la pieza impresa mientras está asegurada en un tornillo de banco. A continuación, extienda un alambre de acero inoxidable o nitinol a través del orificio. Dobla los extremos del alambre y engánchalos.
Esto permitirá que la pieza se sumerja completamente en vapor de acetona dentro del vaso de precipitados. A continuación, deje el cable y la pieza a un lado. Trabajando en una campana extractora para evitar la inhalación de vapor de acetona, llene un vaso de precipitados grande aproximadamente al 10% de acetona y colóquelo en una placa caliente.
Luego caliente a 100 grados centígrados. Cuando la condensación de vapor de acetona alcance aproximadamente la mitad de la pared del vaso de precipitados, pase el alambre en bucle con la vía respiratoria marcada en un segundo cable y cuélvalo en el vapor de acetona durante 15 a 30 segundos. Asegúrese de que las piezas impresas no toquen las paredes del vaso de precipitados ni entre sí.
Retire la pieza impresa y cuélguela sobre el vaso de precipitados o el recipiente vacíos. Deje que la pieza se seque durante al menos 4 horas. Vierte 9,1 g de resina PDMS en un vaso de plástico para mezclar.
Añadir 20 mg de dióxido de titanio rutilo seguido de 35 microlitros de tinta china. Por último, añada 0,91 g del agente de curado a la parte superior de la mezcla. Vierta la mezcla final de polímero en el molde resistente al calor.
A continuación, vierta una pequeña cantidad de la mezcla en un recipiente aparte para crear una losa de polímero para confirmar las propiedades ópticas del material. Coloque el molde de las vías respiratorias marcado en la losa separada en una campana para desgasificar. Comienza el proceso de vacío.
Si el polímero en el moho de las vías respiratorias marcado comienza a subir, deje que el aire regrese a la campana para reventar las burbujas de la superficie. A continuación, comience a extraer aire de nuevo. Repita este proceso hasta que el polímero no suba significativamente.
Esto tomará entre 5 y 10 minutos, dependiendo de la cantidad de aire que quedó atrapado al verter la mezcla en el molde. Una vez que el PDMS ya no suba, continúe desgasificando durante otros 15 minutos. Después de la desgasificación, deje que el aire regrese lentamente a la cámara.
Retire tanto el maniquí de la vía aérea marcado como la losa de polímero y colóquelos en un horno nivelado a 80 grados centígrados durante dos horas. Retira el fantasma y la losa del horno y déjalos enfriar durante 20 minutos. A continuación, desmontar el molde de polímero con el bisturí sin cortar el polímero curado.
Encaje la placa base por la mitad de la base de la vía aérea marcada. A continuación, coloque el maniquí en el baño de base de hidróxido de sodio calentado hasta que la parte interna se disuelva por completo. Y el maniquí de referencia ópticamente despejado puede ayudar a determinar el tiempo de disolución del componente interno.
Una vez que la estructura interna se haya disuelto, saque el maniquí del baño y déjelo secar completamente antes de tomar cualquier medición óptica. Después de verificar la geometría del fantoma como se describe en el protocolo de texto, verifique las propiedades ópticas del fantoma utilizando la losa de polímero y la esfera integradora. Se muestran los resultados representativos de las imágenes de maniquí y la verificación de la estructura interna de un maniquí pulmonar en 3D.
La iluminación interna con luz verde de un maniquí ópticamente despejado muestra el reflejo difuso de la superficie interna cuando la pieza impresa en 3D no se pulió con vapor. Por el contrario, un maniquí hecho con una estructura interna pulida al vapor tiene una reflectancia difusa mínima en la superficie interna. Los fantasmas iluminados internamente con luz verde y fotografiados con detección externa muestran una superficie de resplandor diferente cuando se utilizan diferentes concentraciones de partículas ópticas.
El fantasma producido en este video muestra un resplandor superficial espacialmente difuso. Sin embargo, un maniquí con una misma estructura interna pero diferentes concentraciones de dióxido de titanio y tinta china tiene una absorción mucho mayor y un perfil de luminosidad diferente al absorbido en la superficie. Debido a que este maniquí incluye dióxido de titanio y tinta china, es ópticamente opaco, por lo que se muestra una verificación de la estructura interna con tomografía microcomputarizada.
Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en dos días si se realiza correctamente. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar maniquíes ópticos con una estructura impresa en 3D. Esta técnica de fabricación de maniquíes se utiliza para explorar el transporte de luz en el pulmón del ratón para la optimización de los sistemas de imágenes de detección de bacterias.
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Resumen
Este artículo presenta un método para fabricar fantasmas ópticos de tejidos que replican las propiedades ópticas del tejido y estructuras tridimensionales. El enfoque se centra en modelar la vía aérea de ratón dentro de un polímero con propiedades ópticas ajustadas, utilizando impresión 3D para estructuras anatómicas personalizables.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Sistemas de imagen óptica
- Óptica de tejidos
- Tecnología de impresión 3D
Antecedentes
- Los modelos ópticos de tejidos son fundamentales para calibrar sistemas de imagen.
- Ayudan a validar modelos teóricos en óptica de tejidos.
- La impresión 3D permite la replicación de estructuras anatómicas complejas.
- Este método puede adaptarse a diversos sistemas biológicos.
Objetivo del estudio
- Para fabricar fantasmas que modelen con precisión las propiedades de los tejidos.
- Para explorar cómo la anatomía tridimensional afecta el transporte de la luz.
- Para proporcionar información sobre el transporte de la luz en el pulmón y otros sistemas.
Métodos Utilizados
- Elaboración de una lámina de polidimetilsiloxano (PDMS).
- Impresión 3D de estructuras anatómicas para modelado óptico.
- Personalización de fantasmas para diversas aplicaciones biológicas.
- Validación de propiedades ópticas mediante confirmación experimental.
Resultados principales
- El método replica con éxito las propiedades ópticas del tejido.
- Se pueden crear fantasmas personalizables para diferentes estructuras.
- Se obtuvieron conocimientos sobre los mecanismos de transporte de la luz en los tejidos.
- Las aplicaciones potenciales se extienden a diversos sistemas biológicos.
Conclusiones
- Los modelos ópticos de tejidos son valiosos para la investigación en óptica tisular.
- La impresión 3D mejora la capacidad de modelar anatomías complejas.
- Esta técnica abre nuevas vías para estudiar las interacciones entre la luz y los tejidos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los modelos ópticos de tejidos con complejidad estructural tridimensional permiten la evaluación reproducible de sistemas de imagen sin depender de modelos animales, reduciendo los costos y plazos de validación preclínica. Al imitar las propiedades ópticas de los tejidos y características anatómicas como vías respiratorias o vasos sanguíneos, estos modelos facilitan la reducción mecanicista de riesgos en tecnologías de detección óptica durante las fases iniciales del descubrimiento. Este enfoque mejora la confianza predictiva en la identificación de compuestos prometedores al proporcionar una plataforma ajustable y escalable para evaluar las interacciones entre la luz y los tejidos en diversos sistemas biológicos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar cómo las estructuras anatómicas tridimensionales influyen en el transporte de luz en entornos que imitan tejidos.
- Valor operativo: Facilita la comprobación de hipótesis sobre sondas de imagen óptica en modelos de fantasma controlados y reproducibles.
- Valor predictivo: Posibilita la reducción de riesgos biológicos mediante la correlación de lecturas de señales basadas en fantasmas con variables estructurales y ópticas.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Proporciona fondos ópticos estandarizados y ajustables para la evaluación cuantitativa de la especificidad de las sondas y las relaciones señal-ruido.
- Valor operativo: Permite la reproducibilidad del ensayo mediante el control preciso de la absorción y la dispersión a través de formulaciones de dióxido de titanio y tinta india.
- Escalabilidad: Permite la producción de múltiples variantes de fantasma para la evaluación paralela de condiciones de imagen o concentraciones de sondas.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta mediciones ópticas en fase de descubrimiento con validación preclínica mediante la simulación de atenuación y dispersión de la luz específicas del tejido.
- Sistema Relevante para la Enfermedad: Modela patologías asociadas con las vías respiratorias en las que la estructura tridimensional afecta el rendimiento de la imagenología, apoyando la validación de dianas en terapéuticas respiratorias.
- Avance Ajustado al Riesgo: Orienta las decisiones de continuar o descartar al identificar tempranamente factores de confusión óptica en la etapa inicial del proceso.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano al permitir la evaluación basada en hipótesis de cómo la complejidad anatómica afecta la generación y detección de señales ópticas, informando el diseño de sondas antes de la optimización del fármaco líder.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprensión mecanicista de la propagación de la luz en tejidos estructurados, ayudando en la selección de modalidades de imagen con suficiente penetración y contraste.
- Selección: Proporciona salidas cuantitativas de transmitancia y reflectancia que estandarizan las condiciones de imagen a través de bibliotecas de compuestos o sondas.
- Análisis: Genera mediciones reproducibles de propiedades ópticas (coeficientes de absorción y dispersión) que permiten la normalización de datos y la comparación entre experimentos.
- Investigación Traducional: Se alinea con la validación de imagen preclínica al proporcionar una plataforma que imita el tejido para evaluar la fidelidad de la señal en modelos anatómicamente complejos.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma modular de fabricación de fantasmas adaptable a múltiples sistemas de órganos (por ejemplo, pulmón, vasculatura, tejido neural) mediante moldes impresos en 3D.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en los sistemas de imagen óptica al reducir la variabilidad de la señal relacionada con la estructura del tejido.
- Valor operativo: Garantiza la reproducibilidad mediante recetas estandarizadas de materiales (PDMS, TiO₂, tinta de la India) y protocolos validados de caracterización utilizando espectrometría con esfera integradora.
- Valor estratégico: Disminuye la dependencia de tejidos ex vivo y de estudios de imagen en animales para evaluaciones iniciales de viabilidad, mejorando la eficiencia del capital en el desarrollo de sondas.
- Impacto en la cartera: Permite una evaluación objetiva y basada en principios físicos de las tecnologías de imagen, apoyando la priorización ajustada al riesgo de proyectos de detección óptica.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en la medición de propiedades ópticas, mezcla de polímeros y técnicas de postprocesamiento 3D, como el pulido por vapor.
- Depende del acceso a espectrómetros con esfera integradora, cámaras de desgasificación al vacío y hornos con control de temperatura para el curado de materiales.
- Necesita la estandarización entre equipos de los protocolos de fabricación de fantasmas para garantizar la consistencia lote a lote en las propiedades ópticas.
- Implica consideraciones de adaptación al trasladar el modelo de vía aérea a otras anatomías (por ejemplo, redes vasculares, esferoides tumorales) mediante cambios en el diseño del molde impreso en 3D.
- Está limitado por la resolución óptica de la impresión 3D, que puede introducir rugosidad superficial que requiere postprocesamiento para minimizar reflexiones artificiales.
