ייצור ואפיון רקמות אופטי הפאנטומים המכיל למפלגות
12 בפברואר 2018
מטוסי פאנטום רקמות אופטי הם כלים חיוניים כיול של אפיון של מערכות הדמיה אופטית ואימות של מודלים תיאורטיים. מאמר זה מפרט את שיטת ייצור דמה הכולל שכפול של רקמות התכונות האופטיות ואת מבנה רקמות תלת מימדי.
המטרה הכוללת של תהליך ייצור פנטום זה היא לדגמן את דרכי הנשימה של העכבר בתוך פולימר מכוון אופטית. מכיוון שהמבנה הפנימי מודפס בתלת מימד, ניתן ליישם תהליך דפוס זה על מגוון אנטומיות אחרות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום אופטיקת הרקמות כגון אנטומיה תלת מימדית בריאותית יכולה להשפיע על הובלת האור ברקמות.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא ניתנת להתאמה אישית עבור כל מבנה שניתן לפתור על ידי מדפסת תלת מימד. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה כמודל פיזיקלי להובלת אור בריאה, ניתן ליישם אותה גם על מערכות אחרות כגון מערכות סגורות או מודלים תלת מימדיים עם חומרים מרובים. התחל בייצור של לוח פולידימתילסילוקסן או PDMS של הקליטה הסלקטיבית לאישור תכונות אופטיות.
באמצעות יחס של 10:1 במשקל של חומר ריפוי שרף PDMS יוצקים שרף PDMS, טיטניום דו חמצני, דיו הודי וחומר ריפוי PDMS לכוס הערבוב בסדר זה. ערבוב יסודי של חומרים יאפשר חומר מודרניסטי בעל תכונות קליטה ופיזור דייר. שלב זה הוא חלק בלתי נפרד מתכונות אופטיות הניתנות לשחזור.
מערבבים את החומרים במיקסר מהיר למשך 60 שניות. אם חלקיקי טיטניום דו חמצני נדבקים לכוס הערבוב, מערבבים ביד כדי להסיר את החלקיקים מבסיס הכוס לפני ערבוב במיקסר למשך 30 שניות נוספות. לאחר מכן, שפכו את התערובת לתבשילי רוס או פטרי כדי ליצור לוחות דקים מהתערובת.
הסר את הלוחות למשך 10 דקות על ידי הנחתם בתא לחץ שלילי אטום. לאחר מכן מכניסים את הלוחות לתנור שחומם מראש ל 80 מעלות צלזיוס למשך 30 עד 60 דקות. לאחר הוצאת הלוחות מהתנור ולתת להם להתקרר, הוציאו את לוח הפולימר שהתקרר מהמיכל שלו.
לאחר מכן חתוך את הקצוות כדי להשאיר לוח אחיד ושטוח. מדוד את עובי הלוח באמצעות קליברים. לאחר מכן, מדוד את ההעברה וההשתקפות של הלוחות באמצעות כדור אינטגרציה.
הפעל את מקור האור והספקטרומטר של מערך הכדור המשלב. בדוק את יישור המערכת כדי לוודא שקרן קולימציה קטנה מרוכזת ביציאות הכניסה והיציאה של הכדור המשלב. כדי לכייל את מערכת הכדור המשלבת, כבה את המקור וכסה את יציאת היציאה של הכדור המשלב.
הקלט שלושה ספקטרומים כהים. הפעל שוב את המקור כדי לקבל את הפניה לתיבת ההילוכים כאשר יציאת היציאה מכוסה ויציאת הכניסה ריקה. עכשיו רשום שלושה ספקטרומים.
לאחר מכן השג מדידות התייחסות להחזר באמצעות תקני השתקפות. מקם כל תקן ביציאת היציאה של הכדור. רשום שלושה ספקטרומים עבור כל תקן השתקפות.
לאחר מכן, מדוד את העברת הלוח עם המכסה ביציאת היציאה. הנח את הלוח על יציאת הכניסה של כדור האינטגרציה למדידת ההילוכים. רשום שלושה ספקטרומים.
כדי למדוד את ההשתקפות של הלוח, הסר את מכסה יציאת היציאה והנח את הלוח על יציאת היציאה למדידת ההשתקפות. רשום שלושה ספקטרומים. המשך לקביעת מאפיינים אופטיים כמתואר בפרוטוקול הטקסט.
בחר חומר נמס להדפסה כגון אלכוהול פוליוויניל או פוליסטירן בעל השפעה גבוהה. והדפיסו את הדגם המוצק בחומר נמס זה. בסיום ההדפסה, שבר, המיס או עיבד את חומר התמיכה מהחלק המודפס.
תייק או שייף כל גדול בשלמות. ליטוש אדים חשוב לשליטה על חספוס פני השטח. הרזולוציה הצירית של מדפסת התלת מימד תעניק משטח פנימי מחוספס הגורם להחזר מפוזר ממשטח זה.
כדי ללטש את החלק המודפס, קדחו תחילה חור דרך עם מרווח לחוט פלדה או ניטינול דק בבסיס החלק המודפס בזמן שהוא מאובטח במלחציים. לאחר מכן, מורחים חוט נירוסטה או ניטינול דרך החור. כופפו את קצות החוט וחברו אותם זה לזה.
זה יאפשר לחלק להיות שקוע לחלוטין באדי אצטון בתוך הכוס. ואז הניחו את החוט והחלק בצד. עבודה במכסה אדים למניעת שאיפת אדי אצטון, מלאו גדולה מלאה בערך ב-10% באצטון והניחו אותה על פלטה חמה.
ואז מחממים ל -100 מעלות צלזיוס. כאשר עיבוי אדי האצטון מגיע בערך למחצית הדרך במעלה דופן הכוס, מסרו את החוט הלולאה עם דרכי הנשימה המסומנות על חוט שני ותלו אותו באדי האצטון למשך 15 עד 30 שניות. ודא שהחלקים המודפסים אינם נוגעים בדפנות הכוס או זה בזה.
הסר את החלק המודפס ותלה אותו מעל הכוס או המיכל הריק. תן לחלק להתייבש לפחות 4 שעות. יוצקים 9.1 גרם שרף PDMS לכוס ערבוב מפלסטיק.
הוסף 20 מ"ג רוטיל טיטניום דו חמצני ואחריו 35 מיקרו ליטר דיו הודי. לבסוף מוסיפים 0.91 גרם מחומר הריפוי לראש התערובת. יוצקים את תערובת הפולימר הסופית לתבנית העמידה בחום.
לאחר מכן שפכו כמות קטנה מהתערובת למיכל נפרד ליצירת לוח פולימרי לאישור תכונות אופטיות של החומר. מניחים את שתי תבנית דרכי הנשימה המסומנות בלוח הנפרד לצנצנת פעמון להסרת גזים. התחל בתהליך הוואקום.
אם הפולימר בתבנית דרכי הנשימה המסומנת מתחיל לעלות, הניחו לאוויר לחזור לצנצנת הפעמון כדי לפוצץ את בועות פני השטח. ואז התחל למשוך אוויר שוב. חזור על תהליך זה עד שהפולימר לא יעלה משמעותית.
זה ייקח בין 5 ל-10 דקות, תלוי כמה אוויר נלכד בעת שפיכת התערובת לתבנית. ברגע שה-PDMS כבר לא עולה, המשיכו להוריד את הגז למשך 15 דקות נוספות. לאחר הסרת הגז, הכניסו לאט את האוויר בחזרה לתא.
הסר גם את פנטום דרכי הנשימה המסומן וגם את לוח הפולימר והכניס אותם לתנור ישר בחום של 80 מעלות צלזיוס למשך שעתיים. מוציאים את הפנטום והלוח מהתנור ונותנים להם להתקרר במשך 20 דקות. לאחר מכן מפרקים את תבנית הפולימר עם האזמל מבלי לחתוך את הפולימר הנרפא.
הצמד את לוחית הבסיס של מחצית בסיס דרכי הנשימה המסומן. לאחר מכן, הניחו את הפנטום באמבט בסיס הנתרן הידרוקסיד המחומם עד להמסה מלאה של החלק הפנימי. ופנטום הפניה מנוקה אופטית עשוי לעזור לקבוע את זמן ההמסה של הרכיב הפנימי.
לאחר המסת המבנה הפנימי, הוציאו את הפנטום מהאמבטיה ותנו לו להתייבש לחלוטין לפני ביצוע מדידות אופטיות כלשהן. לאחר אימות גיאומטריית הפנטום כמתואר בפרוטוקול הטקסט, אמת את התכונות האופטיות של הפנטום באמצעות לוח הפולימר וכדור האינטגרציה. מוצגות תוצאות מייצגות של הדמיית פנטום ואימות המבנה הפנימי של פנטום ריאות תלת מימדי.
תאורה פנימית עם אור ירוק של פנטום מנוקה אופטית מראה את ההשתקפות המפוזרת מהמשטח הפנימי כאשר החלק המודפס בתלת מימד לא היה מלוטש באדים. לעומת זאת, לפנטום העשוי ממבנה פנימי מלוטש אדים יש השתקפות מפוזרת מינימלית על פני השטח הפנימיים. פנטומים המוארים פנימית באור ירוק ומצולמים בזיהוי חיצוני מראים משטח שונה של זוהר כאשר משתמשים בריכוזים שונים של חלקיקים אופטיים.
הפנטום המופק בסרטון זה מראה זוהר פני שטח מפוזר מרחבית. עם זאת, לפנטום בעל מבנה פנימי זהה אך ריכוזים שונים של טיטניום דו חמצני ודיו הודי יש ספיגה גבוהה בהרבה ופרופיל זוהר שונה כפי שהוא נספג על פני השטח. מכיוון שפנטום זה כולל טיטניום דו חמצני ודיו הודי, הוא אטום אופטית, ולכן מוצג אימות של המבנה הפנימי באמצעות מיקרו טומוגרפיה ממוחשבת.
לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך יומיים אם היא מבוצעת כראוי. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לייצר פנטומים אופטיים עם מבנה מודפס בתלת מימד. טכניקה זו של ייצור פנטום משמשת לחקר הובלת אור בריאה של העכבר לצורך אופטימיזציה של מערכות הדמיה של חישת חיידקים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה לייצור פנטומים אופטיים של רקמות המשחזרים תכונות אופטיות של רקמות ומבנים תלת-ממדיים. הדגש הוא על מידול של דרכי הנשימה של עכבר בתוך פולימר מכוון אופטית, תוך שימוש בהדפסה תלת-ממדית ליצירת מבנים אנטומיים הניתנים להתאמה אישית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מערכות דימות אופטית
- אופטיקה של רקמות
- טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד
רקע
- פנטומים אופטיים של רקמה חיוניים לכיול של מערכות דימיון.
- הם מסייעים בתיקוף של מודלים תיאורטיים באופטיקה של רקמות.
- הדפסה בתלת-ממד מאפשרת שכפול של מבנים אנטומיים מורכבים.
- ניתן להתאים שיטה זו למערכות ביולוגיות שונות.
מטרת המחקר
- ליצור פנטומים המדמים במדויק תכונות של רקמות.
- לבחון כיצד אנטומיה תלת-ממדית משפיעה על הובלת אור.
- לספק תובנות לגבי הובלת אור בריאה ובמערכות אחרות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור לוחה של פולידימטילסילוקסן (PDMS).
- הדפסה תלת-ממדית של מבנים אנטומיים לצורך מידול אופטי.
- התאמה אישית של פנטומים עבור יישומים ביולוגיים שונים.
- תיקוף של תכונות אופטיות באמצעות אישור ניסיוני.
תוצאות עיקריות
- השיטה משחזרת בהצלחה תכונות אופטיות של רקמות.
- ניתן ליצור פנטומים הניתנים להתאמה אישית עבור מבנים שונים.
- התקבלו תובנות לגבי מנגנוני הובלת אור ברקמות.
- יישומים פוטנציאליים רחבים למערכות ביולוגיות שונות.
מסקנות
- פנטומים אופטיים של רקמות הם בעלי ערך רב למחקר באופטיקה של רקמות.
- הדפסה בתלת-ממד משפרת את היכולת למדל אנטומיות מורכבות.
- טכניקה זו פותחת נתיבים חדשים לחקר אינטראקציות בין אור לרקמה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פנטומים אופטיים של רקמות בעלי מורכבות מבנית בתלת-ממד מאפשרים הערכה הדירה של מערכות דימות ללא הסתמכות על מודלים בבעלי חיים, ובכך מפחיתים את העלויות ואת לוחות הזמנים של תיקוף פרה-קליני. על ידי חיקוי התכונות האופטיות של הרקמה ומאפיינים אנטומיים כגון דרכי נשימה או מערכות כלי דם, פנטומים אלו תומכים בהפחתת סיכונים מכניסטית של טכנולוגיות חישוש אופטיות בשלבי גילוי מוקדמים. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בזיהוי מובילים (leads) על ידי אספקת פלטפורמה הניתנת לכיוונון ולהרחבה להערכת אינטראקציות אור-רקמה במגוון מערכות ביולוגיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של האופן שבו מבנים אנטומיים תלת-ממדיים משפיעים על הובלת אור בסביבות המדמות רקמה.
- ערך תפעולי: תומך בבדיקת השערות של גששים לדימות אופטי במודלים של פנטום מבוקרים וניתנים לשחזור.
- ערך חיזוי: מסייע בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי מתאם בין קריאות אות מבוססות פנטום לבין משתנים מבניים ואופטיים.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מספק רקעים אופטיים סטנדרטיים וניתנים לכוונון להערכה כמותית של ספציפיות הגששים ויחסי אות לרעש.
- ערך תפעולי: מאפשר שחזור של הבדיקה באמצעות בקרה מדויקת של בליעה ופיזור באמצעות פורמולציות של titanium dioxide ודיו הודו (India ink).
- יכולת הרחבה: מאפשר ייצור של גרסאות פנטום מרובות לסריקה מקבילה של תנאי דימיות או ריכוזי גששים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מגשר בין מדידות אופטיות בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני, על ידי סימולציה של ניחות ואבזרת אור ספציפיים לרקמה.
- מערכת רלוונטית למחלה: מדמה פתולוגיות הקשורות לדרכי הנשימה שבהן המבנה התלת-ממדי משפיע על ביצועי ההדמיה, ובכך תומכת בתיקוף מטרות בטיפולים נשימתיים.
- קידום מותאם סיכון: מספקת בסיס להחלטות המשך (go/no-go) על ידי זיהוי גורמים אופטיים מבלבלים בשלב מוקדם של התהליך.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי הגילוי המוקדמים על ידי אפשור הערכה מונחית-היפותזה של האופן שבו מורכבות אנטומית משפיעה על יצירה וגילוי של אות אופטי, דבר המסייע בתכנון הגשוש (probe) לפני אופטימיזציית המולקולה המובילה.
- ביולוגיה של התגליות: תומכת בהבנה מכניסטית של התפשטות אור ברקמות מובנות, ומסייעת בבחירת שיטות דימוי בעלות חדירות וניגודיות מספקות.
- סריקה: מספקת נתוני נבחירה (transmittance) והחזרה (reflectance) כמותיים המנורמלים את תנאי הדימוי במאגרי תרכובות או גששים.
- אנליטיקה: מייצרת מדידות הדירות של תכונות אופטיות (מקדמי בליעה ופיזור) המאפשרות נורמליזציה של נתונים והשוואה בין ניסויים.
- מחקר תרגומי: עולה בקנה אחד עם תיקוף דימוי פרה-קליני על ידי אספקת פלטפורמה המדמה רקמה להערכת נאמנות האות במודלים מורכבים מבחינה אנטומית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה מודולרית לייצור פנטומים, הניתנת להתאמה למערכות איברים מרובות (למשל, ריאה, כלי דם, רקמה עצבית) באמצעות תבניות מודפסות בתלת-ממד.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי במערכות דימות אופטי על ידי הפחתת סיכונים הקשורים לשונות של אותות הנובעת ממבנה הרקמה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות מתכוני חומרים סטנדרטיים (PDMS, TiO₂, דיו סיני) ופרוטוקולי אפיון מתוקפים המשתמשים בספקטרומטריה של כדור אינטגרציה.
- ערך אסטרטגי: מפחית את ההסתמכות על רקמות ex vivo ודימות בעלי נסויים עבור מחקרי היתכנות ראשוניים, ובכך משפר את יעילות ההון בפיתוח גששים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר הערכה אובייקטיבית מבוססת-פיזיקה של טכנולוגיות דימות, התומכת בתיעדוף מותאם-סיכון של פרויקטים של חישוש אופטי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדידת תכונות אופטיות, ערבוב פולימרים וטכניקות עיבוד לאחר הדפסה בתלת-ממד, כגון ליטוש באדים.
- תלוי בגישה לספקטרומטרים עם כדור אינטגרציה, תאי ואקום להוצאת גזים ותנורים בבקרה תרמית לצורך הקשיית החומר.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי ייצור הפנטומים כדי להבטיח עקביות בתכונות האופטיות בין סדרות ייצור שונות.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת מודל דרכי הנשימה לאנטומיות אחרות (למשל, רשתות כלי דם, ספרואידים של גידולים) באמצעות שינויים בעיצוב התבנית המודפסת בתלת-ממד.
- מוגבל על ידי הרזולוציה האופטית של ההדפסה בתלת-ממד, העשויה לגרום לחספוס פני שדורש עיבוד לאחר הדפסה כדי למזער החזרים שגויים (artifactual reflectance).
