Fabbricazione e caratterizzazione dei fantasmi di tessuto ottico contenente macrostruttura

L'obiettivo generale di questo processo di fabbricazione fantasma è quello di modellare le vie aeree del topo all'interno di un polimero otticamente sintonizzato. Poiché la struttura interna è stampata in 3D, questo processo di stampaggio può essere applicato a una varietà di altre anatomie. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'ottica tissutale, come l'anatomia tridimensionale della salute, può influenzare il trasporto della luce nei tessuti.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che è personalizzabile per qualsiasi struttura che può essere risolta da una stampante 3D. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni come modello fisico per il trasporto della luce nel polmone, può essere applicato anche ad altri sistemi come sistemi chiusi o modelli 3D con più materiali. Iniziare con la fabbricazione di una lastra di polidimetilsilossano o PDMS della ricetta selettiva per la conferma delle proprietà ottiche.

Utilizzando un rapporto di 10:1 in peso dell'agente indurente alla resina PDMS, versare la resina PDMS, il biossido di titanio, l'inchiostro di china e l'agente indurente PDMS nella tazza di miscelazione in quest'ordine. Un'accurata miscelazione dei materiali consentirà di ottenere un materiale modernista con proprietà di assorbimento e dispersione intenzionali. Questo passaggio è fondamentale per la riproducibilità delle proprietà ottiche.

Mescolare gli ingredienti in una planetaria per 60 secondi. Se le particelle di biossido di titanio si attaccano alla tazza di miscelazione, mescolare a mano per rimuovere le particelle dalla base della tazza prima di mescolare nel mixer per altri 30 secondi. Quindi versare il composto in piastre Ross o Petri per ottenere lastre sottili del composto.

Degasare le lastre per 10 minuti ponendole in una camera a pressione negativa ermetica. Quindi posizionare le lastre in forno preriscaldato a 80 gradi Celsius per 30-60 minuti. Dopo aver tolto le lastre dal forno e averle lasciate raffreddare, rimuovere la lastra di polimero raffreddata dal suo contenitore.

Quindi tagliare i bordi per lasciare una lastra piatta e uniforme. Misurare lo spessore della lastra utilizzando calibri. Successivamente, misurare la trasmittanza e la riflettanza delle lastre utilizzando una sfera integratrice.

Accendere la sorgente luminosa e lo spettrometro della configurazione della sfera integratrice. Controllare l'allineamento del sistema per assicurarsi che un piccolo raggio collimato sia centrato sulle porte di ingresso e di uscita della sfera integratrice. Per calibrare il sistema di sfere integratrici, spegnere la sorgente e tappare la porta di uscita della sfera integratrice.

Registra tre spettri scuri. Riaccendere la sorgente per ottenere il riferimento di trasmissione con la porta di uscita chiusa e la porta di ingresso vuota. Ora registra tre spettri.

Successivamente, ottenere misurazioni di riferimento della riflettanza utilizzando gli standard di riflettanza. Posiziona ogni standard nella porta di uscita della sfera. Registra tre spettri per ogni standard di riflettanza.

Quindi, misurare la trasmittanza della lastra con il tappo sulla porta di uscita. Posizionare la soletta sulla porta di ingresso della sfera integratrice per la misurazione della trasmissione. Registra tre spettri.

Per misurare la riflettanza della soletta, rimuovere il tappo della porta di uscita e posizionare la lastra sulla porta di uscita per la misurazione della riflettanza. Registra tre spettri. Procedere alla determinazione delle proprietà ottiche come descritto nel protocollo di testo.

Seleziona un materiale solubile per la stampa, come l'alcol polivinilico o il polistirene ad alto impatto. E stampa il modello solido in questo materiale solubile. Al termine della stampa, rompere, sciogliere o lavorare il materiale di supporto dalla parte stampata.

Lima o leviga qualsiasi grande perfezione. La lucidatura a vapore è importante per controllare la rugosità superficiale. La risoluzione assiale della stampante 3D darà una superficie interna ruvida che causa una riflettanza diffusa su quella superficie.

Per lucidare a vapore la parte stampata, praticare prima un foro passante con spazio per un sottile filo di acciaio o nitinol alla base della parte stampata mentre è fissato in una morsa. Quindi, stendere un filo di acciaio inossidabile o nitinol attraverso il foro. Piega le estremità del filo e agganciale insieme.

Ciò consentirà alla parte di essere completamente immersa nel vapore di acetone all'interno del becher. Quindi mettere da parte il filo e la parte. Lavorando in una cappa aspirante per evitare l'inalazione di vapore di acetone, riempire un grande bicchiere di circa il 10% di acetone e posizionarlo su una piastra calda.

Quindi riscaldare a 100 gradi Celsius. Quando la condensa del vapore di acetone raggiunge circa la metà della parete del becher, azionare il filo avvolto con le vie aeree contrassegnate su un secondo filo e sospenderlo nel vapore di acetone per 15-30 secondi. Assicurarsi che le parti stampate non tocchino le pareti del bicchiere o tra loro.

Rimuovere la parte stampata e sospenderla sopra il becher o il contenitore vuoto. Lasciare asciugare la parte per almeno 4 ore. Versare 9,1 g di resina PDMS in un bicchiere di plastica.

Aggiungere 20 mg di biossido di titanio rutilo seguiti da 35 micro litri di inchiostro di china. Infine, aggiungere 0,91 g di agente indurente sulla parte superiore della miscela. Versare la miscela polimerica finale nello stampo resistente al calore.

Quindi versare una piccola quantità di miscela in un contenitore separato per creare una lastra di polimero per confermare le proprietà ottiche del materiale. Posizionare entrambi gli stampi delle vie aeree contrassegnati nella lastra separata in una campana di vetro per il degasaggio. Inizia il processo di vuoto.

Se il polimero nello stampo delle vie aeree contrassegnato inizia a salire, lascia che l'aria torni nella campana di vetro per far scoppiare le bolle superficiali. Quindi inizia a tirare di nuovo l'aria. Ripetere questo processo fino a quando il polimero non si alza in modo significativo.

Ci vorranno dai 5 ai 10 minuti a seconda di quanta aria è rimasta intrappolata quando si versa il composto nello stampo. Una volta che il PDMS non sale più, continuare a degassare per altri 15 minuti. Dopo il degasaggio, far rientrare lentamente l'aria nella camera.

Rimuovere sia il fantasma delle vie aeree contrassegnato che la lastra di polimero e metterli in forno a livello a 80 gradi Celsius per due ore. Togliete il fantasma e la lastra dal forno e lasciateli raffreddare per 20 minuti. Quindi smontare lo stampo in polimero con il bisturi senza tagliare il polimero polimerizzato.

Agganciare la metà della piastra di base della base delle vie aeree contrassegnata. Quindi, posizionare il fantasma nel bagno a base di idrossido di sodio riscaldato fino a quando la parte interna non è completamente dissolta. E il phantom di riferimento otticamente cancellato può aiutare a determinare il tempo di dissoluzione per il componente interno.

Una volta dissolta la struttura interna, estrarre il fantasma dalla vasca e lasciarlo asciugare completamente prima di effettuare qualsiasi misurazione ottica. Dopo aver verificato la geometria del fantoccio come descritto nel protocollo di testo, verificare le proprietà ottiche del fantoccio utilizzando la lastra polimerica e la sfera integratrice. Vengono mostrati i risultati rappresentativi dell'imaging del fantoccio e la verifica della struttura interna di un fantoccio polmonare 3D.

L'illuminazione interna con luce verde di un fantasma otticamente cancellato mostra il riflesso diffuso sulla superficie interna quando la parte stampata in 3D non è stata lucidata a vapore. Al contrario, un phantom realizzato con struttura interna lucidata a vapore ha una riflettanza diffusa minima sulla superficie interna. I fantocci illuminati internamente con luce verde e ripresi con rilevamento esterno mostrano una diversa superficie di radianza quando vengono utilizzate diverse concentrazioni di particelle ottiche.

Il fantasma prodotto in questo video mostra una radianza superficiale spazialmente diffusa. Tuttavia, un fantoccio con una stessa struttura interna ma diverse concentrazioni di biossido di titanio e inchiostro di china ha un assorbimento molto più elevato e un profilo di radianza diverso come assorbito in superficie. Poiché questo fantasma include biossido di titanio e inchiostro di china, è otticamente opaco, quindi viene mostrata una verifica della struttura interna con micro tomografia computerizzata.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in due giorni se eseguita correttamente. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare fantasmi ottici con una struttura stampata in 3D. Questa tecnica di fabbricazione di fantocci viene utilizzata per esplorare il trasporto della luce nel polmone del topo per l'ottimizzazione dei sistemi di imaging con rilevamento dei batteri.