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Article de méthode

Impression 3D multimodale de fantômes pour simuler les tissus biologiques

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DOI :

10.3791/60563

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11 janvier 2020

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1Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, 2Key Laboratory of Precision Scientific Instrumentation of Anhui Higher Education Institutes, University of Science and Technology of China, 3Department of Biomedical Engineering, The Ohio State University

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Le revêtement de spin, l'impression de polyjet, et la modélisation fusionnée de dépôt sont intégrés pour produire les fantômes hétérogènes multicouches qui simulent des propriétés structurales et fonctionnelles du tissu biologique.

Résumé

L'imagerie optique biomédicale joue un rôle important dans le diagnostic et le traitement de diverses maladies. Cependant, la précision et la reproductibilité d'un dispositif d'imagerie optique sont grandement affectées par les caractéristiques de performance de ses composants, l'environnement de test et les opérations. Par conséquent, il est nécessaire de calibrer ces dispositifs par des normes fantômes traçables. Cependant, la plupart des fantômes actuellement disponibles sont des fantômes homogènes qui ne peuvent pas simuler les caractéristiques multimodales et dynamiques des tissus biologiques. Ici, nous montrons la fabrication de fantômes hétérogènes simulant des tissus à l'aide d'une chaîne de production intégrant un module de revêtement de spin, un module de polyjet, un module de modélisation des dépôts fusionnés (FDM) et un cadre de contrôle automatique. Les informations structurelles et les paramètres optiques d'un « fantôme optique numérique » sont définis dans un fichier prototype, importés sur la chaîne de production, et fabriqués couche par couche avec commutateur séquentiel entre différentes modalités d'impression. La capacité technique d'une telle ligne de production est illustrée par l'impression automatique des fantômes de peau-simulation qui composent l'épiderme, le derme, le tissu sous-cutané, et une tumeur incorporée.

Introduction

L'imagerie optique biomédicale représente une famille d'outils d'imagerie médicale qui détectent les maladies et les anomalies tissulaires en fonction des interactions de la lumière avec les tissus biologiques. En comparaison avec d'autres modalités d'imagerie, telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie calculée (CT), l'imagerie optique biomédicale tire parti de la mesure non invasive des caractéristiques structurelles, fonctionnelles et moléculaires des tissus à l'aide d'appareils portables et à faible coût1,2,3,4. Cependant, en dépit de sa supériorité dans le coût et la portabilité, l'imagerie optique n'a pas été largement acceptée pour le diagnostic clinique et l'orientation thérapeutique, en partie en raison de sa mauvaise reproductibilité et du manque de cartographie quantitative entre les paramètres optiques et biologiques. La principale raison de cette limitation est l'absence de normes traçables pour l'étalonnage quantitatif et la validation des dispositifs d'imagerie optique biomédicale.

Dans le passé, une variété de fantômes de tissu-simulation ont été développés pour la recherche optique biomédicale d'imagerie optique dans divers types de tissu, tels que le cerveau5,6,7, peau8,9,10,11,12, vessie13, et tissus mammaires14,15,16,17. Ces fantômes sont principalement produits par l'un des processus de fabrication suivants : 1) spin coating10,18 (pour simuler des tissus homogènes et à couches minces); 2) moulage19 (pour simuler le tissu encombrant avec des dispositifs géométriques) ; et 3) impression tridimensionnelle (3D)20,21,22 (pour simuler des tissus hétérogènes multicouches). Les fantômes de peau produits par le moulage sont capables d'imiter les propriétés optiques en vrac du tissu cutané mais ne peuvent pas simuler les hétérogénéités optiques latérales19. Bentz et coll. ont utilisé une méthode d'impression FDM 3D à deux canaux pour imiter différentes propriétés optiques du tissu biologique23. Cependant, l'utilisation de deux matériaux ne peut pas simuler suffisamment l'hétérogénéité optique tissulaire et l'anisotropie. Lurie et coll. ont créé un fantôme de la vessie pour la tomographie de cohérence optique (OCT) et la cystoscopie en combinant l'impression 3D et le revêtement de spin13. Cependant, les caractéristiques hétérogènes du fantôme, comme les vaisseaux sanguins, ont dû être peintes à la main.

Parmi les procédés de fabrication fantômes ci-dessus, l'impression 3D offre la plus grande flexibilité pour simuler les hétérogénéités structurelles et fonctionnelles des tissus biologiques. Cependant, de nombreux types de tissus biologiques, tels que le tissu cutané, se composent de composants multicouches et multi-échelles qui ne peuvent pas être effectivement dupliqués par un seul processus d'impression 3D. Par conséquent, l'intégration de plusieurs processus de fabrication est nécessaire. Nous proposons une ligne de production d'impression 3D qui intègre de multiples procédés de fabrication pour la production automatique de tissus multicouches et multi-échelles simulant des fantômes comme norme traçable pour l'imagerie optique biomédicale (Figure 1). Bien que le revêtement de spin, l'impression de polyjet et le FDM soient automatisés dans notre ligne de production d'impression 3D, chaque modalité conserve les mêmes caractéristiques fonctionnelles que les processus établis. Par conséquent, cet article fournit une ligne directrice générale pour produire des fantômes multicouches, multicouches et hétérogènes de simulation de tissu sans la nécessité d'une intégration physique de processus multiples dans un seul appareil.

figure-introduction-1
Figure 1 : Diagramme CAO de la chaîne de production d'impression 3D. (A) La ligne de production d'impression 3D avec la coque supérieure enlevée. (B) Le schéma du module de revêtement de spin et du module mécanique de main. (C) Le schéma du module d'impression polyjet. (D) Le schéma du module d'impression FDM (la lampe UV appartient au module d'impression polyjet). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Protocole

1. Préparation des matériaux pour l'impression 3D

REMARQUE : Notre ligne de production fantôme optique utilise une variété de matériaux d'impression pour simuler les hétérogénéités structurelles et fonctionnelles des tissus biologiques. La sélection des matériaux d'impression dépend également des procédés de fabrication.

  1. Préparation des matériaux pour l'impression de revêtement de spin
    1. Ajouter 100 mg de dioxyde de titane (TiO2) poudre dans un bécher contenant 100 ml de stéréolithographie (SLA) résine photopolymère.
    2. Incorporer le mélange dans le bécher pendant 30 min sur un agitateur magnétique.
    3. Scellez le bécher avec du papier d'aluminium et sonicate-le dans une machine à ultrasons pendant 15 min.
    4. Aspirez le matériau pendant 10 min et chargez-le dans la seringue de stockage de l'appareil.
  2. Préparation des matériaux pour l'impression polyjet
    1. Ajouter 17,56 g de 2-hydroxy-2-méthylpropiophenone (1-hydroxycyclohexyl phényl ketone) dans le bécher contenant 80 g de triéthylène glycol dimethacrylate pour obtenir 18% (w/ w) de matière.
    2. Scellez le bécher avec du papier d'aluminium et sonicate-le dans une machine à ultrasons pendant 15 min.
    3. Sortir 20 ml du mélange et y ajouter 5 mg de colorant rouge chinois soluble dans l'huile. Répétez l'étape 1.2.2.
    4. Aspirez tous les matériaux, chargez la solution avec du colorant dans les cartouches pour le canal Y (Jaune) et chargez la solution pure dans les cartouches pour le canal K (Noir).
  3. Préparation des matériaux pour l'impression FDM
    1. Chargez 200 g de cire de gel dans chacun des trois béchers, puis chauffez-les à 60 oC sur un agitateur magnétique.
    2. Ajouter 600 mg de poudre TiO2 dans le premier bécher. Ajouter 80 mg de poudre de graphite dans le second.
    3. Remuer la cire de gel mélangée avec TiO2 et la cire de gel mélangée avec de la poudre de graphite dans différents béchers pendant 30 min sur l'agitateur magnétique.
    4. Aspirez les trois matériaux différents pendant 2 minutes et chargez-les dans l'extrudeur du module hybride à trois buses avant la solidification.

2. Préparation de modèles informatiques pour l'impression 3D multimodale

REMARQUE : Le tissu cutané hétérogène est simplifié en trois couches : épiderme, derme et tissu sous-cutané. La couche d'épiderme est produite par revêtement de spin à l'aide du matériau introduit à l'étape 1.1. La couche de derme est produite par impression polyjet à l'aide du polymère photosensible introduit à l'étape 1.2. La couche de tissu sous-cutané est produite par FDM à l'aide du matériau introduit à l'étape 1.3. Un prototype de fichier de conception assistée par ordinateur (CAD) de différents paramètres d'impression est généré pour guider les processus de fabrication susmentionnés.

  1. Conception d'un fantôme optique numérique pour la peau
    1. Concevez le fantôme de la peau avec les trois couches suivantes : une couche d'épiderme de 100 m d'épaisseur, une couche de derme de 400 m d'épaisseur et un tissu sous-cutané de 1 cm d'épaisseur.
    2. Dessinez un modèle de tumeur à l'aide d'un logiciel de modélisation 3D (p. ex., Solidworks) (Figure 5A).
  2. Réglage de paramètres pour le revêtement de spin
    1. Définiz les paramètres de vitesse et de durée de rotation dans le logiciel de contrôle de l'appareil d'impression. La vitesse de revêtement de rotation de première étape utilisée dans cette démonstration est de 200 tours par min (rpm), le temps de revêtement de spin est de 20 s, la vitesse dans le revêtement de spin de deuxième étape est de 1 000 tr/min, et le temps de revêtement de spin est de 40 s.
    2. Définir la quantité de matériau de revêtement de spin comme 3 ml et le temps de la lumière-curage comme 180 s dans le logiciel de contrôle.
  3. Préparation du fichier source pour l'impression polyjet
    1. Importer l'image des vaisseaux sanguins à imprimer dans le logiciel AcroRIP Color et définir les paramètres (position d'impression et quantité de jet d'encre) en fonction de la relation entre les paramètres optiques des fantômes imprimés et les propriétés de l'image. Dans cette image imprimée de vaisseau sanguin, le canal de K est chargé avec un matériel photocurable transparent, et le canal de Y est chargé avec un matériel photocurable mélangé avec le colorant rouge chinois.
    2. Générer un fichier ".prn" avec des paramètres définis pour l'impression 3D.
  4. Préparation du code G pour l'impression FDM
    1. Dessinez un modèle frustum avec un logiciel de cartographie 3D (p. ex. Solidworks) pour simuler une tumeur.
    2. Importer le fichier ".stl" du modèle de tumeur dans un logiciel Cura installé avec un script tout-en-un de coupe de buse.
    3. Trancher le modèle pour générer le code G requis pour l'impression.
  5. Chargement des documents vers le logiciel de contrôle d'impression
    1. Cliquez sur l'élément de menu "Fichier" dans la barre de menu, sélectionnez l'élément "Import UV Print File" et chargez les fichiers d'impression UV ".prn" introduits à l'étape 2.3.
    2. Chargez le code G généré à l'étape 2.4 dans le logiciel de contrôle d'impression comme à l'étape 2.5.1.
    3. Cliquez sur le bouton Démarrer l'impression pour démarrer la procédure d'impression 3D automatisée.

3. Impression de la couche d'épiderme de la peau composant fantôme par revêtement de spin

REMARQUE : Le module de revêtement de spin est principalement composé de trois parties : 1) un enduit de spin ; 2) un distributeur de colle; et 3) une lampe UV.

  1. Déplacez le substrat sur la station de chargement à l'étape de l'échantillon du coucheur de spin avec une main mécanique. Démarrer la pompe à vide pour fixer le substrat par adsorption.
  2. Le distributeur de colle contrôle la seringue pour égoutter le matériau introduit à l'étape 2.2.2 au centre du substrat.
  3. Le douilleur de spin commence à fonctionner en suivant les paramètres de vitesse et de temps fixés.
  4. Posez la lampe UV (longueur d'onde : 395 nm) et allumez-la pendant 180 s.
  5. Soulevez la lampe UV, éteignez le spin-coater et imprimez la couche d'épiderme de la peau.

4. Impression de la couche de derme de la peau composant fantôme par polyjetting

REMARQUE : Le module d'impression polyjet se compose d'une buse à jet d'encre piézoélectrique, d'une plate-forme mobile tridimensionnelle, d'un panneau de commande et d'une lampe UV (lampe au mercure). Le matériau photocurable à base de solvant, le matériau d'absorption et le matériau de diffusion sont utilisés comme matrice. Différents paramètres optiques sont obtenus en pulvérisant des matériaux dans des proportions différentes dans différentes régions. Enfin, le fantôme de couche de derme est imprimé et guéri couche par couche.

  1. Déplacez le substrat vers la plate-forme mobile 3D et ouvrez la soupape d'aspiration pour adsorber le substrat sur la plate-forme.
  2. La plate-forme mobile 3D maintient le substrat à la position initiale de l'imprimante UV.
  3. Poussez l'imprimante jet d'encre à la position de travail par le cylindre, et l'imprimante jet d'encre fonctionne le temps spécifié dans le fichier ".prn" envoyé par l'ordinateur hôte. Ici, le signal d'alimentation en papier de l'imprimante jet d'encre est utilisé pour conduire le mouvement de la plate-forme mobile y-axe.
  4. L'imprimante jet d'encre imprime la couche conçue à l'étape 2.5.1 et le cylindre pousse l'imprimante jet d'encre à la position d'origine. L'axe Y de la plate-forme mobile 3D placée avec le substrat est initialisé en se déplaçant à sa position initiale.
  5. Le substrat se déplace de 50 mm dans la direction positive de l'axe Y. La lampe UV est poussée vers le bas par le cylindre (10 mm au-dessus du substrat).
  6. Allumez la lampe UV pendant 180 s selon le réglage du temps de séchage.
  7. Poussez la lampe UV à la position initiale avec le cylindre. L'axe Y de la plate-forme mobile 3D placée avec le substrat est initialisé et retourné à sa position initiale.
  8. Déplacez la plate-forme mobile 3D placée avec substrat vers le bas de 0,1 mm le long de l'axe Z.
  9. Répétez les étapes 4.1-4.8 pour imprimer la couche suivante jusqu'à ce que l'impression multicouche soit terminée.

5. Impression du composant fantôme de tissu sous-cutané par FDM

REMARQUE : Le module FDM est composé d'un module hybride à trois têtes, d'un module monochef et d'une plate-forme mobile 3D. La cire de gel, le matériel absorbant, et le matériel de diffusion sont employés comme matières premières pour préparer un tissu sous-cutané fantôme/tumeur. La cire de gel est chauffée et fondue dans la mangeoire. Uniformément agité par la tête d'extrusion, il est extrudé pour imprimer les fantômes finaux avec les paramètres optiques souhaités.

  1. Allumez la puissance de chauffage du module de la buse et fixez la température à 60 oC.
  2. Déplacez la buse de mélange à la position de travail en poussant le cylindre.
  3. Le module FDM reçoit les commandes de code G envoyées par l'ordinateur hôte, et la buse de mélange est chauffée jusqu'à 68 oC.
  4. Allumez le moteur d'agitation et mélangez bien les matériaux.
  5. Initialize la plate-forme mobile 3D et les axes XYZ passer à la position initiale.
  6. Le processus d'impression est exécuté suivant les commandes du code G. Dans une procédure d'impression couche par couche, les matériaux sont extrudés en proportion du rapport de mélange qui déterminent les paramètres optiques du fantôme dans chaque couche. L'impression se poursuit jusqu'à ce que la partie tissulaire sous-cutanée ou la partie tumorale soit entièrement imprimée.
  7. Déplacez le module de la buse de mélange à la position initiale en poussant le cylindre.
    CAUTION: Parce que la poudre de graphite a une forte absorption de lumière, il doit être mélangé aussi uniformément que possible pour éviter les changements dans les paramètres optiques induits par l'agrégation. TiO2 poudre de grande taille de particules se précipite facilement et affecte la précision de placement des matériaux, il est donc nécessaire de le mélanger pleinement. TiO2 doit être remplacé s'il est stocké pendant une longue période.

6. Déplacer le substrat vers la station de chargement

  1. Initialisez la plate-forme mobile 3D et déplacez l'axe XYZ vers la position initiale. Déplacez la plate-forme mobile 3D vers l'emplacement de transfert.
  2. Déplacez la main mécanique à la position au-dessus du substrat en poussant le cylindre.
  3. Ramassez le substrat et déplacez-le au-dessus de la station de chargement avec la main mécanique. Placez le substrat sur la station de chargement et complétez l'impression automatisée.

7. Moulage du composant fantôme de couche de tissu sous-cutané par moulage

REMARQUE: Si le modèle de tumeur pour le fantôme est conçu, il sera nécessaire de jeter le fantôme entier en versant le polydimethylsiloxane (PDMS) en dehors de la tumeur. Les étapes 7.1-7.3 ne sont pas nécessaires pour que le module FDM imprime la couche sous-cutanée de tissu sans tumeur.

  1. Appuyez sur un substrat avec un moule rectangulaire imprimé en 3D.
  2. Verser le PDMS liquide dans le moule.
  3. Placer le substrat dans un incubateur et le conserver à 60 oC pendant 2 h.
  4. Retirer le fantôme du substrat.

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Résultats

Phantom fabriqué par revêtement de spin
Le revêtement de spin répartit uniformément les gouttelettes sur le substrat en tournant la plaque tournante, et une seule couche du corps d'origine est fabriquée après le durcissement. La vitesse de rotation du substrat et le temps de rotation affectent non seulement la qualité de surface du fantôme, mais déterminent également l'épaisseur de chaque couche du fantôme. Les fantômes de différentes épaisseurs peuvent être fabriqués par revêtement de spin répétitif ...

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Discussion

Dans la fabrication du fantôme multicouches, le matériau utilisé pour le revêtement de spin est une sorte de matériau curable par la lumière au lieu de PDMS. La couche intermédiaire est imprimée avec la méthode d'impression polyjet, qui utilise la résine curable par la lumière comme matière première. Bien que les fantômes minces de PDMS puissent être faits par le revêtement de rotation après l'ajout de l'alcool de tert-butyl, une couche de PDMS ne peut pas effectivement lier au matériel curable de lumière pendant l'impre...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Les travaux ont été soutenus par la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 et 81327803) et les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales. Nous remercions Zachary J. Smith, de l'Université des sciences et de la technologie, d'avoir fourni la voix off audio.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
2-Hydroxy-2-méthylpropiophénonealaddinH110280-500gInitiateur de lumière
http://www.aladdin-e.com/
de contrôle d’impression 3DUSTCUSTC-3DPrinter_control1.0sur-mesure
github :
https://github.com/macanzhen/
Système d’impression 3DUSTCUSTC-3DPrinter1.0sur mesure
AcroRip couleurHuman PlusAcroRip v8.2.6
Script de tranchage de buse tout-en-unShenzhen CBD Technology Co.,Ltd.github :
https://github.com/macanzhen/
Chinese Red DyeJuentsOil-soluble Cura
UltimakerCura_15.04.6
Gel WaxShanghai Lida Industry Co.,ltd.Point de fusion LP : 56 ° ; C
GraphitealaddinG103922-100gModifier les paramètres d’absorption optique de l’objet
http://www.aladdin-e.com/
PDMSDow Corning184
Dioxyde de titaneALDRICH24858-100G347 nm
Méthacrylate de triéthylène glycolaladdinT101642-250mlPhotopolymérisé monomère
http://www.aladdin-e.com/
Encre UV SLA Photopolymère Résinetemps80sRESIN-Ahttp://www.time80s.com/zlxz
Système

Références

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