Name: Fabbricazione e caratterizzazione dei fantasmi di tessuto ottico contenente macrostruttura (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 22 s
Description: Scopri come fabbricare fantasmi di tessuto ottico con PDMS e stampa 3D per modellare le vie aeree del topo. Questa tecnica personalizzabile permette di studiare il trasporto della luce nei tessuti biologici.

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation carriera premio no. CBET-1254767 e Istituto nazionale di allergie e malattie infettive concedere no. AI104960 R01. Noi riconosciamo con gratitudine Patrick Griffin e Dan Tran per la loro assistenza con misure di caratterizzazione e la Texas A & M laboratorio di patologia cardiovascolare per micro-CT imaging.

1. selezione e verifica della proprietà del materiale Matrix
<ol><li>Prima di iniziare il processo di fabbricazione fantasma (Figura 1), trovare l'assorbimento e dispersione ridotta coefficienti per i tessuti biologici di interesse presso la wavelength(s) di imaging. Stime preliminari possono essere trovate nel riferimenti35,36. Tuttavia, la convalida dei coefficienti ottici potrebbe essere necessario.</li>
	<li>Utilizzando le tabelle di ricerca per coefficiente di assorbimento, µunae il coefficiente di dispersione ridotta, µs', 488, 535, 632 e 775 lunghezze d' (tabelle 1-4 e figure 2– 3), onda nm selezionare le concentrazioni di inchiostro di India e biossido di titanio (TiO2) che approssimano le proprietà ottiche desiderate. Queste ricette sono specifiche per fantasmi fabbricati con PDMS. Queste tabelle forniscono dati sperimentali a lunghezze d'onda discreta, ottimizzazione della ricetta può essere richiesto per l'applicazione specifica.</li>
	<li>
Fabbricare una lastra di polidimetilsilossano (PDMS) della ricetta selezionata per la conferma delle proprietà ottiche.
	<ol>
<li>Utilizzando un rapporto di 10:1 in peso di resina PDMS agente indurente, versare gli ingredienti nella coppetta di miscelazione nel seguente ordine: resina PDMS, TiO2, inchiostro di China, PDMS agente indurente. Nota: Qui, ci prova due ricette: 1) 2mg TiO2 + 3,5 µ l inchiostro di India EUR g PDMS e 2) 1mg TiO2 + 10 µ l India ink / g PDMS. Per ogni ricetta, 4,5 g PDMS resina ed agente indurente di PDMS 0,45 g vengono utilizzati con la corrispondente quantità di particelle ottiche.</li>
		<li>Mescolare in un mixer di velocità (Vedi Tabella materiali) per 60 s. Se le particelle di TiO2 stick per la miscelazione della tazza (probabile con alte concentrazioni di TiO2), mescolare a mano per rimuovere le particelle dalla base della Coppa e mescolare nel mixer per altri 30 s.</li>
		<li>Versare il composto in pozzi o capsule di Petri per rendere sottile (0,1-1 mm) lastre della miscela.</li>
		<li>Degas le lastre per 10 min ponendoli in una camera a pressione di tenuta d'aria negativa, quindi posto in un forno pre-riscaldato a 80 ° C per 30-60 min. Togliere dal forno e lasciate raffreddare.</li>
		<li>Rimuovere la lastra di polimero raffreddato dal relativo contenitore. Tagliare i bordi di lasciare una lastra piana e uniforme. Misurare lo spessore della lastra utilizzando pinze.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Misurare la trasmittanza (T) e la riflettanza (R) di slab(s) utilizzando una sfera integratrice. Ulteriori dettagli e istruzioni possono essere trovate il raddoppiamento della aggiunta di inverso (IAD) manuale37.
	<ol>
<li>Attivare la sorgente di luce e spettrometro del setup sfera integratrice. Controllare l'allineamento del sistema per assicurare un piccolo fascio di luce collimato è centrato sulle porte di entrata e uscita della sfera integrata.</li>
		<li>Calibrare il sistema sfera integratrice.<ol>
<li>Spegnere la fonte, la porta di uscita della sfera integrata di cap e registrare tre spettri scuri.</li>
			<li>Riaccendere l'origine per ottenere il riferimento di trasmissione con la porta di uscita innevate e la porta di ingresso vuota. Registrare tre spettri.</li>
			<li>Ottenere misure di riflettanza riferimento utilizzando standard di riflettanza. Posizionare ogni standard presso la porta di uscita della sfera. Registrare tre spettri per ogni campione di riflessione.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Misurare la trasmittanza della lastra. Con il tappo sulla porta di uscita, posizionare la lastra sulla porta di entrata della sfera integrata per la misurazione di trasmissione. Registrare tre spettri.</li>
		<li>Misurare la riflettanza della lastra. Rimuovere il tappo della bocchetta di uscita e posizionare la lastra sulla porta di uscita per la misura di riflettanza. Registrare tre spettri.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Determinare le proprietà ottiche utilizzando software IAD. Un tutorial completo sul software può essere trovato nel manuale IAD con il software Scarica37,38.
	<ol>
<li>Media i tre spettri acquisiti per ogni misurazione.</li>
		<li>Utilizzando le equazioni nel manuale di IAD37, convertire queste misurazioni in valori R e T. Se necessario, è possibile condensare i file riducendo la frequenza di campionamento lungo lo spettro.</li>
		<li>Preparare il file di input .rxt (1 di materiale supplementare) per IAD con le lunghezze d'onda, riflettanza, trasmittanza e spessore del campione come descritto nel manuale di IAD37. Utilizzando il prompt dei comandi (Windows OS) o terminale (Mac OS), passare al percorso corretto. Digitare "iad ' input file name'" per eseguire IAD. Il software produrrà un file di testo di output con le proprietà ottiche stimate.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Se le proprietà ottiche non sono in un range accettabile (~ 15%) dei valori desiderati, modificare di conseguenza la ricetta e ripetere i passaggi 1,3 – 1,5.</li>
</ol>2. preparazione del Dissolvable 3D stampato struttura interna
<ol><li>Struttura interna di progettazione utilizzando computer aided software di progettazione (CAD). Convertire modello solido struttura in un file di stereolitografia per montaggio su una stampante 3D. Se disponibile, una TAC segmentata può anche essere convertita in un file di stereolitografia piuttosto che un modello solido della struttura interna di disegno. Nota: Il file CAD per la struttura ad albero di frattale usato qui è fornito in 2 materiale supplementare. La stampante utilizzata in questa carta è una stampante d'espulsione, quindi la parte è stata progettata per avere materiale di supporto break-away.</li>
	<li>Selezionare un materiale solubile per la stampa, ad esempio alcol di polivinile (PVA) o polistirene antiurto (HIPS) (Vedi Tabella materiali). Stampare il modello solido in questo materiale solubile.</li>
	<li>Quando parti stampate sono sufficientemente raffreddati, rompere, sciogliere o il materiale di supporto al largo la parte stampata della macchina. File o sabbia fuori eventuali imperfezioni di grandi dimensioni.</li>
	<li>
Vapor polacco la parte stampata per ridurre la rugosità superficiale.
	<ol>
<li>Con la parte stampata fissata in una morsa, praticare un foro passante con spazio per un filo sottile di acciaio o nitinol nella base della parte stampata.</li>
		<li>Filo di acciaio inossidabile o filo di nitinol attraverso il foro. Piegare le estremità del filo e collegare insieme. Questo permetterà per la parte essere completamente immersi in vapori di acetone all'interno il becher. Filo e parte accantonati.</li>
		<li>Riempire un bicchiere grande approssimativamente 10% completo di acetone. Porre il becher su un piatto caldo durante il riscaldamento a 100 ° C. Attenzione: Eseguire questo passaggio in una cappa per evitare l'inalazione dei vapori di acetone.</li>
		<li>Quando acetone vapore condensa raggiunge circa a metà strada fino alla parete del bicchiere, appendere il filo loop con le vie respiratorie finto su un secondo filo e sospendere in vapori di acetone per 15 – 30 s. Assicurarsi stampato parti non tocchino il becher pareti o ogni altro (se vapor lucidatura più parti in una sola volta).</li>
		<li>Rimuovere la parte stampata e sospendere sopra il bicchiere vuoto o contenitore. Far parte asciugare per almeno 4 ore.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verificare che le dimensioni della struttura interna sono all'interno di tolleranza per la progettazione CAD, come necessario. A seconda delle esigenze di precisione, pinze o uno scanner laser 3D può essere utilizzato per misurare la struttura.</li>
</ol>3. realizzazione di stampo resistente al calore
Nota: Preparare uno stampo a perfetta tenuta, resistente al calore per formare il fantasma PDMS. Selezionare una geometria di stampo per meglio adattarsi al design finale di fantasma. Qui, uno stampo rettangolare riutilizzabile è descritto.
<ol><li>Progettare una solido modello base dello stampo per stampa 3D. Questo stampo è stato progettato per un fantasma con una base di 1,17 x 1,79 cm. La base dello stampo ha un 1 mm di spessore e un incavo profondo 5 mm con dimensioni interne in corrispondenza della base del fantasma. In questo modo lo stampo per raccordi per essere rimosso e lo stampo deve essere smontato e riutilizzato.</li>
	<li>Stampare una base per lo stampo con un inserto di larghezza sufficiente per garantire i raccordi dello stampo.</li>
	<li>Posto dei binari nei recessi della base dello stampo. Qui, fogli di policarbonato dello spessore di 1 mm sono usati come binari di raccordo muffa.</li>
	<li>Utilizzando nastro resistente al calore, sigillare i bordi dello stampo. È indispensabile che tutti gli angoli e bordi sono sufficientemente sigillati con nessun bolle nel nastro per evitare eventuali perdite durante il processo di stampaggio.</li>
	<li>Posto una piastra di base in policarbonato all'interno dello stampo preparato al punto 3.4. Questa piastra di base è lo stesso foglio di policarbonato dello spessore di 1 mm come il raccordo di muffa e dà la base phantom una superficie liscia senza la rugosità della superficie stampata 3D della base dello stampo. Incollare il vapore asciugati completamente lucidato parte alla piastra di base. Concedere tempo sufficiente per la colla si asciughi.</li>
</ol>4. fabbricazione di polimero Phantom
Nota: Utilizzare la ricetta verificata per il materiale di matrice di massa determinato al passaggio 1 per l'applicazione specifica. Il protocollo qui vengono illustrati i passaggi per un tessuto sano del polmone murino fantasma a 535 nm con µs' di 40 cm-1 e µuna di cm 2-1. Può essere utile fabbricare un fantasma secondo senza particelle ottico da utilizzare come riferimento nel processo di fabbricazione.
<ol><li>Versare 9,1 g di resina PDMS in una tazza di miscelazione in plastica. Aggiungere 20 mg di rutilo TiO2, seguito da 35 µ l di inchiostro di India. Infine aggiungere 0,91 g di catalizzatore verso l'alto della miscela. Seguire il protocollo di miscelazione nel passaggio 1.3.2.</li>
	<li>Versare la miscela polimerica finale nello stampo resistente al calore.</li>
	<li>Versare una piccola quantità della miscela in un contenitore separato per creare una lastra di polimero per la conferma delle proprietà ottiche dei materiali. Garantire che sufficiente polimero viene versato per avere una lastra di spessore di almeno 100 µm.</li>
	<li>Inserire sia la muffa finto delle vie aeree e la soletta separata in una campana di vetro per il degasaggio. Iniziare il processo di vuoto. Se il polimero nello stampo finto delle vie respiratorie inizia a salire, lasciare che l'aria nuovamente dentro la campana di vetro di scoppiare le bolle in superficie, quindi iniziare a tirare aria di nuovo. Ripetere questo processo fino a quando il polimero non aumenta significativamente. Questo vi porterà tra 5-10 min a seconda di quanta aria era intrappolata durante fase 4.2. Una volta che non è più aumenta il PDMS, continuare a degassare per altri 15 min.</li>
	<li>Dopo degasaggio, far lentamente l'aria nuovamente dentro la camera. Rimuovere la lastra di polimero e le vie respiratorie finta fantasma e mettere in livello forno a 80 ° C per 2 h.</li>
	<li>Rimuovere il fantasma e la lastra da forno e lasciate raffreddare per 20 min. Smontare la muffa di polimero con un bisturi senza tagliare il polimero polimerizzato. Bloccare la piastra di base al largo della base mock-delle vie aeree.</li>
	<li>Posto fantasma in bagno base dell'idrossido di sodio (NaOH) di ~0.5 M riscaldata (60 ° C) fino a quando la parte interna è completamente sciolta. Un fantasma otticamente chiaro riferimento può contribuire a determinare il tempo di dissoluzione per il componente interno. Una volta che la struttura interna è dissolto, fantasma fuori dalla vasca e lasciate asciugare completamente (~ 24 h) prima di prendere eventuali misure ottiche.</li>
</ol>5. Verifica della fabbricazione fantasma
<ol><li>Verificare fantasma geometria mediante risonanza magnetica ad alta risoluzione (MRI) o micro-tomografia computerizzata (CT) imaging, se lo si desidera. Questi metodi forniscono una verifica 3D delle strutture interne all'interno materiale torbido con risoluzioni assiale del < 400 µm39,40. In alternativa, un fantasma otticamente chiaro riferimento può essere imaged otticamente per verifica che la parte stampata è completamente sciolto e il vuoto restante è la corretta geometria. Nota: Abbiamo verificato la geometria interna di un phantom otticamente opaco (2mg TiO2 + 3,5 µ l inchiostro di India) con micro-CT su un North Star Imaging (NSI) X50. Il fantasma era imaged con 20 µm risoluzione in tutte le dimensioni (Supplemental materiali 3, 4).</li>
	<li>Verificare le proprietà ottiche del fantasma utilizzando la lastra di polimero e la sfera di integrazione (descritto nei passaggi 1.5-1.6).</li>
</ol>

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</ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Abbiamo dimostrato un metodo per la creazione di fantasmi ottici per rappresentare un polmone murino con una struttura interna di ramificazione per simulare l'interfaccia aria-tessuto interno. Le proprietà ottiche del tessuto polmonare murina sono ottenute integrando uniche concentrazioni di otticamente dispersione e assorbire particelle distribuite omogeneamente all'interno del polimero di matrice di massa. Queste proprietà ottiche può essere sintonizzata per simulare i valori fisiologici all'interno di diversi campi di...

Fantasmi di tessuto sono ampiamente utilizzati per la caratterizzazione del sistema e calibrazione di strumenti ottici di imaging e spettroscopia, compresi i sistemi di multimodalità incorporando ultrasuono o modalità nucleare1,2,3 ,4. Fantasmi forniscono un ambiente controllato ottico per la caratterizzazione del sistema e controllo di qualità di più tecniche di imaging biologiche. Fantasmi che imita il tessuto sono strumenti utili per prevedere le prestazioni del sistema e ottimizzare la progettazione di sistema per l'attività fisiologica a portata di mano; ad esempio, per stimare la profondità di sondaggio di sonde spettroscopiche per la valutazione del tumore margini5. Proprietà ottiche e progettazione strutturale dei fantasmi può essere sintonizzati per simulare l'ambiente fisiologico specifico in cui l'apparecchio viene utilizzato, consentendo quindi per studi di fattibilità e la verifica del sistema prestazioni3, 6,7. Verifica delle prestazioni del sistema con ottici realistici fantasmi prima di entrare in studi preclinici o clinici di imaging riduce il rischio di malfunzionamento o l'acquisizione di dati inutilizzabili durante gli studi in vivo . La riproducibilità e la stabilità dei fantasmi ottici li rendono gli standard di calibrazione personalizzabile per tecniche ottiche monitorare la variabilità da intra - e inter - strumentale, in particolare nei trials clinici multicentrici con diversi strumenti, operatori e condizioni ambientali8,9.
Fantasmi che imita il tessuto anche servono come modelli fisici sintonizzabile e riproducibile per la validazione dei modelli teorici di ottici. Simulazioni di aiuto nella progettazione e ottimizzazione di in vivo strumenti ottici, riducendo la necessità per esperimenti sugli animali10,11. Lo sviluppo e la validazione delle simulazioni ottiche per rappresentare accuratamente l'ambiente in vivo può essere ostacolati dalla complessità della struttura del tessuto, il contenuto biochimico e la posizione della destinazione o del tessuto all'interno del corpo. Variabilità tra i soggetti rende la validazione di modelli teorici impegnativo utilizzando misurazioni animale o umane. Fantasmi di polimero tessuto ottico consentono per la validazione dei modelli teorici fornendo un ambiente ottico noto e riproducibile in cui studiare fotone migrazione12,13,14,15.
Ai fini della calibrazione del sistema, solidi ottici fantasmi possono consistere di una singola lastra omogenea di polimero polimerizzato con la dispersione ottica, assorbimento o fluorescenza sintonizzato per le lunghezze d'onda di interesse. A strati di polimero fantasmi sono usati frequentemente per imitare la varianza di profondità delle proprietà ottiche del tessuto in tessuto epiteliale modelli16,17. Queste strutture fantasma sono sufficienti per imaging epiteliale e modellazione, perché la struttura del tessuto è abbastanza omogenea attraverso ogni livello. Tuttavia, più grande scala e strutture più complesse influenzano trasporto radiativo in altri organi. Metodi per creare fantasmi più complessi sono stati sviluppati per simulare l'ambiente ottico di vasi sanguigni sottocutanei18,19 e anche di interi organi, quali la vescica20. Trasporto leggero nei polmoni di modellazione fornisce un unico problema dovuto la struttura ad albero dell'interfaccia aria-tessuto; un fantasma solido non sarebbe probabilmente replicare accuratamente trasporto radiativo nell'organo21. Per descrivere un metodo per incorporare la struttura complessa in un'ottico fantasma, descriviamo un metodo per creare un albero di frattalo interna, riproducibile Sub che rappresenta la struttura macroscopica di tridimensionale (3D) delle vie respiratorie (Figura 1).
Negli ultimi decenni, la stampa 3D è diventata un metodo predominante per la prototipazione rapida di dispositivi medici e modelli22, e fantasmi di tessuto ottico non fanno eccezione. Stampa 3D è stata utilizzata come strumento di produzione di additivi per la realizzazione di ottici fantasmi con canali23, vaso sanguigno reti24e modelli animali piccolo corpo intero25. Questi metodi utilizzano uno o due stampa materiali con proprietà ottiche uniche. Inoltre sono stati sviluppati metodi per ottimizzare le proprietà ottiche del materiale stampa per imitare tessuti biologici generali, torbido25,26. Tuttavia, la gamma di proprietà ottiche ottenibili sono limitate dal materiale stampa, solitamente un polimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)26, quindi questo metodo non è adatto a tutti i tessuti biologici. Polidimetilsilossano (PDMS) è un polimero otticamente chiaro che può essere facilmente miscelato con scattering e assorbimento di particelle con un livello superiore di accordabilità27,28. PDMS è stato utilizzato anche per modellare fantasmi con modelli di aneurisma per la distribuzione di dispositivi embolic29,30. Questi fantasmi anche utilizzano una parte stampata 3D dissolvable, ma rimangono otticamente trasparente per visualizzare la distribuzione di dispositivi. Qui, uniamo questo metodo accordabilità delle proprietà ottiche di PDMS con scattering e assorbimento di particelle per fabbricare un modello preliminare del tessuto e vie aeree del polmone murino.
Mentre il fantasma qui presentato è specifico per i polmoni, il processo può essere applicato ad una varietà di altri organi. Stampa 3D della struttura interna del phantom permette la progettazione essere personalizzabile per qualsiasi scopo e stampabile scala, si tratti di un sangue o linfa vaso rete, midollo osseo o anche la struttura chambered quattro del cuore31. Perché siamo interessati a imaging ottico e modellazione del polmone32,33,34, abbiamo optato per utilizzare un albero di quattro-generazione frattale come la struttura interna di replicare all'interno del polimero fantasma. Questa struttura è stata progettata per approssimare la struttura ad albero delle vie respiratorie e hanno materiale di supporto break-away per il processo di stampa 3D. Lle vie respiratorie più anatomicamente corretta potrebbe essere stampato se fuga supporto materiale non è necessario. Anche se questo particolare modello rappresenta una via aerea, la struttura interna del fantasma non deve rimanere un materiale vuoto. Una volta che il polimero circostante è guarito e la parte stampata in 3D è sciolto, la struttura interna può essere utilizzata come un percorso di flusso o come uno stampo secondario per un materiale con le proprie unica assorbimento e scattering caratteristiche. Ad esempio, se la struttura interna da questo protocollo è stata progettata come un osso digitale anziché lle vie respiratorie, la struttura dell'osso potrebbe essere 3D stampato, modellato con PDMS con proprietà ottiche del dito e poi sciolto fuori il fantasma. Il vuoto potrebbe quindi essere riempito con una miscela PDMS con differenti proprietà ottiche. Inoltre, ogni stampo non è limitato a una singola parte solubile. Un fantasma del dito può essere creato per includere ossa, vene, arterie e uno strato di tessuto molle generale, ognuno con le sue proprietà ottiche uniche.

<table><tbody><tr><td>Dow Corning Sylgard 184 Incapsulante siliconico trasparente 0,5 kg Kit</td><td>Ellsworth Adesivi</td><td>184 SIL ELAST KIT 0,5 KG</td><td>Polidimetilsilossano: base polimerica per fantocci ottici Rutilo</td></tr><tr><td>bianco Polvere di biossido di titanio</td><td>Atlantic Equipment Engineers</td><td>TI-602</td><td>Particelle di dispersione per fantasmi ottici</td></tr><tr><td>Higgins Penna stilografica Inchiostro indiano</td><td>Michaels Negozi di artigianato</td><td>&nbsp; 10015483</td><td>Particelle assorbenti per phantom ottico</td></tr><tr><td>Nastro resistente al calore</td><td></td><td>Uline S-7595</td><td>Nastro resistente al calore per stampi in polimero</td></tr><tr><td>Stampante 3D Fortus 360mc</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>In grado di cambiare il materiale di costruzione e supporto con questo modello di stampante</td></tr><tr><td>ABS Ivory Model Material</td><td>Stratasys</td><td>SDS-000001</td><td>Materiale per la stampa di parti di stampi e/o l'utilizzo come supporto per la stampa della struttura interna&nbsp;</td></tr><tr><td>SR-30 Supporto solubile</td><td>Stratasys</td><td>400638-0001</td><td>Materiale di supporto solubile di base per la stampa della struttura interna</td></tr><tr><td>Flacktek Speedmixer</td><td>Flacktek Inc.</td><td>DAC 150.1 FV</td><td>Per una miscelazione efficiente di polimero e particelle.</td></tr><tr><td>Sfera di integrazione</td><td>Edmund Optics</td><td>58-585</td><td>Per misurare le proprietà ottiche</td></tr><tr><td>Piastre di costruzione in policarbonato (1 mm)</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>È possibile utilizzare anche le piastre di costruzione in policarbonato usate dalla stampante Stratasys</td></tr></tbody></table>

fabbricazione e caratterizzazione dei fantasmi di tessuto ottico contenente macrostruttura

Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

Il rapido sviluppo di nuove tecniche di imaging ottici dipende dalla disponibilità di standard di basso costo, personalizzabile e facilmente riproducibili. Replicando l'ambiente di imaging, costosi esperimenti sugli animali per convalidare una tecnica possono essere elusa. Previsione e ottimizzazione delle prestazioni di in vivo ed ex vivo , tecniche di imaging richiede test su campioni che sono otticamente simili ai tessuti di interesse. Che imita il tessuto ottici fantasmi forniscono uno standard per la valutazione, la caratterizzazione o la taratura di un sistema ottico. Fantasmi di tessuto ottico omogeneo polimero sono ampiamente utilizzati per simulare le proprietà ottiche di un tipo di tessuto specifico all'interno di una gamma spettrale stretta. Tessuti a più livelli, come l'epidermide e il derma, possono essere imitati impilando semplicemente questi fantasmi lastra omogenea. Tuttavia, molte tecniche in vivo imaging vengono applicate al tessuto più spazialmente complesso, dove tre strutture dimensionali, come vasi sanguigni, vie respiratorie o i difetti del tessuto, possono influire sulle prestazioni del sistema di imaging.
Questo protocollo descrive la realizzazione di un fantasma che imita il tessuto che incorpora la complessità strutturale tridimensionale utilizzando materiale con proprietà ottiche del tessuto. Tabelle di ricerca forniscono ricette inchiostro di India e biossido di titanio per assorbimento ottico e obiettivi di scattering. Vengono descritti metodi per caratterizzare e sintonizzare le proprietà ottiche dei materiali. Il fantasma fabbricazione dettagliata in questo articolo ha un interno vuoto ramificazione di finto delle vie respiratorie; Tuttavia, la tecnica può essere applicata in linea di massima ad altre strutture di tessuto o organo.

Per illustrare la tecnica di fabbricazione fantasma, fantasmi di tessuto polmonare del mouse sono stati fabbricati per simulare misurata proprietà ottiche del tessuto asportato sano e infiammata del polmone murino a 535 nm (tabella 5). Questa lunghezza d'onda di interesse è la lunghezza d'onda di eccitazione per tdTomato proteina fluorescente utilizzata in ceppi ricombinanti reporter dei micobatteri in precedenti studi33. Misure ottiche del tessuto...

Fantasmi di tessuto ottico sono strumenti essenziali per la calibrazione e la caratterizzazione di sistemi di imaging ottici e validazione di modelli teorici. Questo articolo descrive in dettaglio un metodo per la fabbricazione di fantasma che include la replica delle proprietà ottiche del tessuto e la struttura tridimensionale del tessuto.

Fabbricazione e caratterizzazione dei fantasmi di tessuto ottico contenente macrostruttura

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...

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.

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