Il rivestimento a spin, la stampa polijet e la modellazione della deposizione fusa sono integrati per produrre fantasmi eterogenei multistrato che simulano le proprietà strutturali e funzionali del tessuto biologico.
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Articolo metodologico
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Il rivestimento a spin, la stampa polijet e la modellazione della deposizione fusa sono integrati per produrre fantasmi eterogenei multistrato che simulano le proprietà strutturali e funzionali del tessuto biologico.
L'imaging ottico biomedico svolge un ruolo importante nella diagnosi e nel trattamento di varie malattie. Tuttavia, l'accuratezza e la riproducibilità di un dispositivo di imaging ottico sono notevolmente influenzate dalle caratteristiche prestazionali dei suoi componenti, dell'ambiente di test e delle operazioni. Pertanto, è necessario calibrare questi dispositivi in base a standard fantasma tracciabili. Tuttavia, la maggior parte dei fantasmi attualmente disponibili sono fantasmi omogenei che non possono simulare caratteristiche multimodali e dinamiche del tessuto biologico. Qui, mostriamo la fabbricazione di fantasmi eterogenei che simulano tessuti utilizzando una linea di produzione che integra un modulo di rivestimento a spin, un modulo polijet, un modulo FDM (FDM) fuso e un framework di controllo automatico. Le informazioni strutturali e i parametri ottici di un "fantasma ottico digitale" sono definiti in un file prototipo, importati nella linea di produzione e fabbricati strato per strato con interruttore sequenziale tra diverse modalità di stampa. La capacità tecnica di una tale linea di produzione è esemplificata dalla stampa automatica di fantasmi che simulano la pelle che comprendono l'epidermide, il derma, il tessuto sottocutaneo e un tumore incorporato.
L'imaging ottico biomedico rappresenta una famiglia di strumenti di imaging medico che rilevano malattie e anomalie tissutali basate su interazioni di luce con il tessuto biologico. Rispetto ad altre modalità di imaging, come la risonanza magnetica (RM) e la tomografia computerizzata (TC), l'imaging ottico biomedico sfrutta la misurazione non invasiva delle caratteristiche strutturali, funzionali e molecolari dei tessuti utilizzando dispositivi portatili e a basso costo1,2,3,4. Tuttavia, nonostante la sua superiorità in termini di costi e portabilità, l'imaging ottico non è stato ampiamente accettato per la diagnosi clinica e l'orientamento terapeutico, in parte a causa della sua scarsa riproducibilità e della mancanza di mappatura quantitativa tra parametri ottici e biologici. La ragione principale di questa limitazione è la mancanza di standard tracciabili per la calibrazione quantitativa e la convalida dei dispositivi di imaging ottico biomedico.
In passato, una varietà di phantom che simulano i tessuti sono stati sviluppati per la ricerca biomedica di imaging ottico in vari tipi di tessuto, come il cervello5,6,7, pelle8,9,10,11,12, vescica13e tessuti mammari14,15,16,17. Questi fantasmi sono prodotti principalmente da uno dei seguenti processi di fabbricazione: 1) spin coating10,18 (per simulare tessuto omogeneo e sottile); 2) stampaggio19 (per simulare tessuto ingombrante con caratteristiche geometriche); e 3) stampa tridimensionale (3D)20,21,22 (per simulare tessuto eterogeneo multistrato). I fantasmi della pelle prodotti dalla stampatura sono in grado di imitare le proprietà ottiche sfuse del tessuto cutaneo, ma non possono simulare le eterogeneità ottiche laterali19. Bentz e altri hanno utilizzato un metodo di stampa 3D FDM a due canali per imitare diverse proprietà ottiche del tessuto biologico23. Tuttavia, l'utilizzo di due materiali non può simulare sufficientemente l'eterogeneità ottica dei tessuti e l'anisotropia. Lurie et al. ha creato un fantasma della vescica per la tomografia a coerenza ottica (OCT) e la cistoscopia combinando la stampa 3D e il rivestimento di spin13. Tuttavia, le caratteristiche eterogenee del fantasma, come i vasi sanguigni, dovevano essere dipinte a mano.
Tra i processi di fabbricazione fantasma di cui sopra, la stampa 3D offre la massima flessibilità per simulare le eterogeneità strutturali e funzionali del tessuto biologico. Tuttavia, molti tipi di tessuto biologico, come il tessuto cutaneo, sono costituiti da componenti multistrato e multiscala che non possono essere efficacemente duplicati da un singolo processo di stampa 3D. Pertanto, è necessaria l'integrazione di più processi di produzione. Proponiamo una linea di produzione di stampa 3D che integra più processi di produzione per la produzione automatica di tessuti multistrato e multiscala che simulano i fantasmi come standard tracciabile per l'imaging ottico biomedico (Figura 1). Anche se il rivestimento a spin, la stampa polijet e l'FDM sono automatizzati nella nostra linea di produzione di stampa 3D, ogni modalità mantiene le stesse caratteristiche funzionali dei processi stabiliti. Pertanto, questo documento fornisce una linea guida generale per la produzione di phantom di simulazione tissutale multiscala, multistrato ed eterogenei senza la necessità di integrazione fisica di più processi in un unico apparato.

Figura 1: Il diagramma CAD della linea di produzione di stampa 3D. (A) La linea di produzione di stampa 3D con il guscio superiore rimosso. (B) Lo schema del modulo di rivestimento di spin e del modulo meccanico della mano. (C) Lo schema del modulo di stampa polyjet. (D) Lo schema del modulo di stampa FDM (la lampada UV appartiene al modulo di stampa polyjet). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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1. Preparazione dei materiali per la stampa 3D
NOTA: La nostra linea di produzione ottica phantom utilizza una varietà di materiali di stampa per simulare le eterogeneità strutturali e funzionali del tessuto biologico. La selezione dei materiali di stampa dipende anche dai processi di produzione.
2. Preparazione di modelli computerizzati per la stampa 3D multimodale
NOTA: Il tessuto cutaneo eterogeneo è semplificato in tre strati: epidermide, derma e tessuto sottocutaneo. Lo strato epidermide è prodotto dal rivestimento a spin utilizzando il materiale introdotto al punto 1.1. Lo strato derma è prodotto dalla stampa polijet utilizzando il polimero fotosensibile introdotto al passaggio 1.2. Lo strato di tessuto sottocutaneo è prodotto da FDM utilizzando il materiale introdotto al passaggio 1.3. Viene generato un prototipo di file CAD (Computer Aided Design) di diversi parametri di stampa per guidare i processi di fabbricazione di cui sopra.
3. Stampa della componente fantasma strato di epidermide della pelle da rivestimento di spin
NOTA: Il modulo di rivestimento di spin è costituito principalmente da tre parti: 1) un rivestimento di spin; 2) un distributore di colla; e 3) una lampada UV.
4. Stampa del componente fantasma dello strato di dermas della pelle mediante polijetting
NOTA: Il modulo di stampa polyjet è costituito da un ugello a getto d'inchiostro piezoelettrico, una piattaforma mobile tridimensionale, un pannello di controllo e una lampada UV (lampada di mercurio). Il materiale fotocurabile basato su solvente, il materiale di assorbimento e il materiale di dispersione vengono utilizzati come matrice. Diversi parametri ottici sono ottenuti spruzzando materiali in proporzioni diverse in diverse regioni. Infine, il fantasma strato dermidis viene stampato e curato strato per strato.
5. Stampa del componente fantasma dei tessuti sottocutanei da parte di FDM
NOTA: il modulo FDM è costituito da un modulo ibrido a tre teste, un modulo a testa singola e una piattaforma mobile 3D. La cera gel, il materiale assorbente e il materiale di dispersione vengono utilizzati come materie prime per preparare un fantasma che simula il tessuto/tumore sottocutaneo. La cera gel viene riscaldata e fusa nell'alimentatore. Uniformemente mescolato dalla testa di estrusione, viene estruso per stampare i fantasmi finali con i parametri ottici desiderati.
6. Spostamento del substrato nella stazione di carico
7. Lanciare il componente fantasma dello strato di tessuto sottocutaneo modellando
NOTA: Se il modello tumorale per il fantasma è progettato, sarà necessario lanciare l'intero fantasma versando il polidimetilsiloxane (PDMS) al di fuori del tumore. I passaggi da 7.1 a 7.3 non sono necessari per il modulo FDM per stampare lo strato di tessuto sottocutaneo senza un tumore.
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Il lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 e 81327803) e dai Fondi di Ricerca fondamentali per le Università Centrali. Ringraziamo il team di ricerca dell'Università di Scienza e Tecnologia per aver fornito la voce fuori campo audio.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 2-idrossi-2-metilpropiofenone | aladdin | H110280-500g | Iniziatore di luce http://www.aladdin-e.com/ |
| Sistema di controllo della stampa 3D | USTC | USTC USTC-3DPrinter_control1.0 | su misura github: https://github.com/macanzhen/ |
| Sistema di stampa 3D | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | su misura |
| AcroRip a colori | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| Script di affettatura dell'ugello all-in-one | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ | |
| Chinese Red Dye | Juents | Cura | |
| Ultimaker | Cura_15.04.6 | ||
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | Punto | di fusione LP: 56 gradi C |
| Grafite | aladdin | G103922-100g | Modifica i parametri di assorbimento ottico dell'oggetto http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Biossido di titanio | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylenglicole dimetacrilato | aladdin | T101642-250ml | Monomero fotopolimerizzato http://www.aladdin-e.com/ |
| Inchiostro UV Resina fotopolimerica SLA | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
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