Fabrication et caractérisation des fantômes de tissu optique contenant la Macrostructure

L’objectif global de ce processus de fabrication fantôme est de modéliser les voies respiratoires de la souris au sein d’un polymère optiquement accordé. Étant donné que la structure interne est imprimée en 3D, ce processus de moulage peut être appliqué à une variété d’autres anatomies. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’optique tissulaire telles que la santé, l’anatomie tridimensionnelle peut affecter le transport de la lumière dans les tissus.

Le principal avantage de cette technique est qu’elle est personnalisable pour toute structure pouvant être résolue par une imprimante 3D. Bien que cette méthode puisse fournir des informations en tant que modèle physique pour le transport de la lumière dans les poumons, elle peut également être appliquée à d’autres systèmes tels que les systèmes proches ou les modèles 3D avec plusieurs matériaux. Commencer par la fabrication d’une dalle de polydiméthylsiloxane ou de PDMS de la réception sélective pour la confirmation des propriétés optiques.

En utilisant un rapport de 10:1 en poids d’agent de durcissement de résine PDMS, versez la résine PDMS, le dioxyde de titane, l’encre de Chine et l’agent de durcissement PDMS dans le gobelet de mélange dans cet ordre. Un mélange minutieux des matériaux permettra d’obtenir un matériau moderniste avec des propriétés d’absorption et de diffusion indépendantes. Cette étape fait partie intégrante des propriétés optiques reproductibles.

Mélangez les ingrédients dans un mélangeur rapide pendant 60 secondes. Si des particules de dioxyde de titane collent à la tasse de mélange, mélangez à la main pour retirer les particules de la base de la tasse avant de mélanger dans le mélangeur pendant encore 30 secondes. Versez ensuite le mélange dans des boîtes Ross ou Petri pour faire de fines plaques du mélange.

Dégazez les dalles pendant 10 minutes en les plaçant dans une chambre à pression négative hermétique. Placez ensuite les plaques dans un four préchauffé à 80 degrés Celsius pendant 30 à 60 minutes. Après avoir sorti les dalles du four et les avoir laissées refroidir, retirez la plaque de polymère refroidie de son récipient.

Coupez ensuite les bords pour laisser une dalle plate et uniforme. Mesurez l’épaisseur de la dalle à l’aide de calibres. Ensuite, mesurez la transmittance et la réflectance des dalles à l’aide d’une sphère d’intégration.

Allumez la source lumineuse et le spectromètre de la configuration de la sphère d’intégration. Vérifiez l’alignement du système pour vous assurer qu’un petit faisceau collimaté est centré sur les orifices d’entrée et de sortie de la sphère d’intégration. Pour calibrer le système de sphère d’intégration, éteignez la source et bouchez le port de sortie de la sphère d’intégration.

Enregistrez trois spectres sombres. Rallumez la source pour obtenir la référence de transmission avec le port de sortie bouché et le port d’entrée vide. Enregistrez maintenant trois spectres.

Ensuite, obtenez des mesures de référence de réflectance à l’aide d’étalons de réflectance. Placez chaque étendard à l’orifice de sortie de la sphère. Enregistrez trois spectres pour chaque étalon de réflectance.

Ensuite, mesurez la transmittance de la dalle avec le capuchon sur l’orifice de sortie. Placez la dalle sur l’orifice d’entrée de la sphère d’intégration pour la mesure de transmission. Enregistrez trois spectres.

Pour mesurer la réflectance de la dalle, retirez le capuchon de l’orifice de sortie et placez la dalle sur l’orifice de sortie pour la mesure de la réflectance. Enregistrez trois spectres. Déterminez les propriétés optiques comme décrit dans le protocole texte.

Choisissez un matériau soluble pour l’impression, tel que de l’alcool polyvinylique ou du polystyrène résistant aux chocs. Et imprimez le modèle solide dans ce matériau soluble. Une fois l’impression terminée, cassez ou usinez le matériau de support de la pièce imprimée.

Limer ou poncer n’importe quel grand dans les perfections. Le polissage à la vapeur est important pour contrôler la rugosité de surface. La résolution axiale de l’imprimante 3D donnera une surface interne rugueuse, provoquant une réflectance diffuse sur cette surface.

Pour polir à la vapeur la pièce imprimée, percez d’abord un trou traversant avec un dégagement pour un fil mince d’acier ou de nitinol à la base de la pièce imprimée pendant qu’elle est fixée dans un étau. Ensuite, étalez un fil en acier inoxydable ou en nitinol à travers le trou. Pliez les extrémités du fil et accrochez-les ensemble.

Cela permettra à la pièce d’être complètement immergée dans la vapeur d’acétone à l’intérieur du bécher. Ensuite, mettez le fil et la partie de côté. En travaillant dans une hotte pour éviter l’inhalation de vapeur d’acétone, remplissez un grand bécher d’environ 10 % d’acétone et placez-le sur une plaque chauffante.

Chauffez ensuite à 100 degrés Celsius. Lorsque la condensation de la vapeur d’acétone atteint environ la moitié de la paroi du bécher, remettez le fil bouclé avec les voies respiratoires marquées sur un deuxième fil et suspendez-le dans la vapeur d’acétone pendant 15 à 30 secondes. Assurez-vous que les pièces imprimées ne touchent pas les parois du bécher ou les unes les autres.

Retirez la pièce imprimée et suspendez-la au-dessus du bécher ou du récipient vide. Laissez sécher la pièce pendant au moins 4 heures. Versez 9,1 g de résine PDMS dans un gobelet en plastique.

Ajoutez 20 mg de dioxyde de titane rutile suivi de 35 microlitres d’encre de Chine. Enfin, ajoutez 0,91 g de l’agent de durcissement sur le dessus du mélange. Versez le mélange final de polymères dans le moule résistant à la chaleur.

Versez ensuite une petite quantité du mélange dans un récipient séparé pour créer une plaque de polymère pour la confirmation des propriétés optiques du matériau. Placez les deux moules de voies respiratoires marqués dans la dalle séparée dans une cloche pour le dégazage. Commencer le processus de mise sous vide.

Si le polymère dans le moule des voies respiratoires marqué commence à monter, laissez l’air retourner dans la cloche pour faire éclater les bulles de surface. Ensuite, recommencez à aspirer de l’air. Répétez ce processus jusqu’à ce que le polymère ne monte pas de manière significative.

Cela prendra entre 5 et 10 minutes selon la quantité d’air emprisonnée lors du versement du mélange dans le moule. Une fois que le PDMS ne monte plus, continuez à dégazer pendant encore 15 minutes. Après le dégazage, laissez lentement l’air rentrer dans la chambre.

Retirez à la fois le fantôme des voies respiratoires marqué et la plaque de polymère et placez-les dans un four plat à 80 degrés Celsius pendant deux heures. Sortez le fantôme et la plaque du four et laissez-les refroidir pendant 20 minutes. Démontez ensuite le moule en polymère avec le scalpel sans couper le polymère durci.

Enclenchez la moitié de la plaque de base de la base des voies respiratoires marquée. Ensuite, placez le fantôme dans le bain de base d’hydroxyde de sodium chauffé jusqu’à ce que la partie interne soit complètement dissoute. Et le fantôme référencé optiquement effacé peut aider à déterminer le temps de dissolution du composant interne.

Une fois la structure interne dissoute, sortez le fantôme du bain et laissez-le sécher complètement avant de prendre des mesures optiques. Après avoir vérifié la géométrie du fantôme comme décrit dans le protocole texte, vérifiez les propriétés optiques du fantôme à l’aide de la plaque de polymère et de la sphère d’intégration. Les résultats représentatifs de l’imagerie fantôme et de la vérification de la structure interne d’un fantôme pulmonaire 3D sont présentés.

L’éclairage interne avec la lumière verte d’un fantôme optiquement dégagé montre la réflexion diffuse sur la surface interne lorsque la pièce imprimée en 3D n’a pas été polie à la vapeur. À l’inverse, un fantôme fabriqué avec une structure interne polie à la vapeur a une réflectance diffuse minimale à la surface interne. Les fantômes éclairés à l’intérieur par une lumière verte et imagés avec une détection externe montrent une surface de luminance différente lorsque différentes concentrations de particules optiques sont utilisées.

Le fantôme produit dans cette vidéo montre une radiance de surface spatialement diffuse. Cependant, un fantôme avec la même structure interne mais des concentrations différentes de dioxyde de titane et d’encre de Chine a une absorption beaucoup plus élevée et un profil de radiance différent tel qu’absorbé à la surface. Parce que ce fantôme comprend du dioxyde de titane et de l’encre de Chine, il est optiquement opaque, donc une vérification de la structure interne par micro-tomographie par micro-ordinateur est montrée.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en deux jours si elle est correctement exécutée. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication de fantômes optiques avec une structure imprimée en 3D. Cette technique de fabrication de fantômes est utilisée pour explorer le transport de la lumière dans le poumon de la souris afin d’optimiser les systèmes d’imagerie de détection des bactéries.