Name: Stampa 3D multimodale di fantasmi per simulare il tessuto biologico (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 11 s
Description: Scopri la stampa 3D multimodale per creare fantasmi eterogenei multistrato che simulano tessuto biologico. Questo metodo combina spin coating, PolyJet e FDM per testare dispositivi ottici biomedicali.

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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.

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.
<ol><li>Preparazione del materiale per la stampa del rivestimento a spin<ol>
<li>Aggiungere 100 mg di polvere di biossido di titanio (TiO2)in un becher contenente 100 mL di resina fotopolitografica (SLA).</li>
		<li>Mescolare il composto nel becher per 30 min su un agitatore magnetico.</li>
		<li>Sigillare il becher con la groviglia e sonicarlo in una macchina ad ultrasuoni per 15 min.</li>
		<li>Aspirare il materiale per 10 min e caricarlo nella siringa di stoccaggio del dispositivo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione del materiale per la stampa polijet<ol>
<li>Aggiungere 17,56 g di 2-idrossio-2-metilpropiophenone (1-hydroxycyclohexyl phenyl chetone) nel becher contenente 80 g di trietilene glicole dimethacrylate per ottenere il 18% (w/w) materiale.</li>
		<li>Sigillare il becher con la groviglia e sonicarlo in una macchina ad ultrasuoni per 15 min.</li>
		<li>Estrarre 20 mL della miscela e aggiungere 5 mg del coloranti rosso cinese solubile in olio in esso. Ripetere il passaggio 1.2.2.</li>
		<li>Aspirare tutti i materiali, caricare la soluzione con colorante nelle cartucce per il canale Y (giallo) e caricare la soluzione pura nelle cartucce per il canale K (Nero).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione del materiale per la stampa FDM<ol>
<li>Caricare 200 g di cera gel in ciascuno dei tre becher e poi riscaldarli a 60 gradi centigradi su un agitatore magnetico.</li>
		<li>Aggiungere 600 mg TiO2 polvere nel primo becher. Aggiungere 80 mg di polvere di grafite nel secondo.</li>
		<li>Mescolare la cera gel mescolata con TiO2 e cera gel mescolata con grafite in diversi becher per 30 min sul magnetico stirrer.</li>
		<li>Svuotare i tre materiali diversi per 2 min e caricarli nell'estrusore del modulo ibrido-tre ugelli prima della solidificazione.</li>
	</ol>
</li>
</ol>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.
<ol><li>Progettazione di un fantasma ottico digitale per la pelle<ol>
<li>Progettare il fantasma della pelle con i seguenti tre strati: uno strato di epidermide di 100 m di spessore, uno strato di derma di 400 m di spessore e un tessuto sottocutaneo di 1 cm di spessore.</li>
		<li>Disegnare un modello tumorale utilizzando un pacchetto software di modellazione 3D (ad esempio Solidworks) (Figura 5A).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Impostazione dei parametri per il rivestimento a rotazione<ol>
<li>Impostare i parametri di velocità e durata rotanti nel software di controllo del dispositivo di stampa. La velocità di rivestimento di spin del primo stadio utilizzata in questa dimostrazione è 200 giri al min (rpm), il tempo di rivestimento di spin è 20 s, la velocità nel rivestimento di spin secondo stadio è di 1.000 giri, e il tempo di rivestimento di spin è 40 s.</li>
		<li>Impostare la quantità di materiale di rivestimento di spin come 3 mL e il tempo di polimering della luce come 180 s nel software di controllo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione del file di origine per la stampa polijet<ol>
<li>Importare l'immagine del vaso sanguigno da stampare nel pacchetto software AcroRIP Color e impostare i parametri (posizione di stampa e quantità di getto d'inchiostro) in base alla relazione tra i parametri ottici dei fantasmi stampati e le proprietà dell'immagine. In questa immagine dei vasi sanguigni stampata, il canale K viene caricato con un materiale fotocurabile trasparente e il canale Y viene caricato con un materiale fotocurabile mescolato con tintura rossa cinese.</li>
		<li>Generare un file ".prn" con parametri definiti per la stampa 3D.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparazione del codice G per la stampa FDM<ol>
<li>Disegnare un modello frustum con un pacchetto software di mappatura 3D (ad esempio Solidworks) per simulare un tumore.</li>
		<li>Importare il file ".stl" del modello tumorale in un pacchetto software Cura installato con uno script di affettatura dell'ugello all-in-one.</li>
		<li>Tagliare il modello per generare il codice G necessario per la stampa.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Caricamento dei documenti sul software di controllo di stampa<ol>
<li>Fare clic sulla voce di menu "File" nella barra dei menu, selezionare la voce di sottomenu " Importa file distampa UV" e caricare i file di stampa UV ".prn" introdotti nel passaggio 2.3.</li>
		<li>Caricare il codice G generato nel passaggio 2.4 nel software di controllo di stampa come nel passaggio 2.5.1.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Avvia stampa per avviare la procedura di stampa 3D automatica.</li>
	</ol>
</li>
</ol>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.
<ol><li>Spostare il substrato sulla stazione di carico allo stadio campione dello spin coater con una mano meccanica. Avviare la pompa a vuoto per fissare il substrato mediante adsordio.</li>
	<li>Il distributore di colla controlla la siringa per gocciolare il materiale introdotto nel passaggio 2.2.2 al centro del substrato.</li>
	<li>L'identificatore di rotazione inizia a funzionare seguendo i parametri di velocità e tempo impostati.</li>
	<li>Metti giù la lampada UV (lunghezza d'onda: 395 nm) e accendila per 180 s.</li>
	<li>Sollevare la lampada UV, spegnere lo spin-coater e stampare lo strato di epidermide della pelle.</li>
</ol>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.
<ol><li>Spostare il substrato sulla piattaforma mobile 3D e aprire la valvola di aspirazione per assorbire il substrato sulla piattaforma.</li>
	<li>La piattaforma mobile 3D mantiene il substrato alla posizione iniziale della stampante UV.</li>
	<li>Spingere la stampante a getto d'inchiostro nella posizione di lavoro del cilindro e la stampante a getto d'inchiostro funziona l'ora specificata nel file ".prn" inviato dal computer host. In questo caso, il segnale di alimentazione della carta della stampante a getto d'inchiostro viene utilizzato per guidare il movimento della piattaforma mobile dell'asse Y.</li>
	<li>La stampante a getto d'inchiostro stampa il livello progettato nel passaggio 2.5.1 e il cilindro riporta la stampante a getto d'inchiostro nella posizione originale. L'asse Y della piattaforma mobile 3D posizionata con il substrato viene inizializzato passando alla posizione iniziale.</li>
	<li>Il substrato si sposta di 50 mm nella direzione positiva dell'asse Y. La lampada UV viene spinta verso il basso dal cilindro (10 mm sopra il substrato).</li>
	<li>Accendere la lampada UV per 180 s in base all'impostazione del tempo di stagionatura.</li>
	<li>Spingere la lampada UV nella posizione iniziale con il cilindro. L'asse Y della piattaforma mobile 3D posizionata con il substrato viene inizializzato e riportato alla posizione iniziale.</li>
	<li>Spostare la piattaforma mobile 3D posizionata con il substrato verso il basso di 0,1 mm lungo l'asse z.</li>
	<li>Ripetere i passaggi da 4.1 a 4.8 per stampare il livello successivo fino al completamento della stampa multistrato.</li>
</ol>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.
<ol><li>Accendere la potenza di riscaldamento del modulo dell'ugello e impostare la temperatura a 60 gradi centigradi.</li>
	<li>Spostare l'ugello di miscelazione nella posizione di lavoro spingendo il cilindro.</li>
	<li>Il modulo FDM riceve i comandi del codice G inviati dal computer host e l'ugello di miscelazione viene riscaldato fino a 68 gradi centigradi.</li>
	<li>Accendere il motore di agitazione e mescolare bene i materiali.</li>
	<li>Inizializzare la piattaforma mobile 3D e gli assi XYz spostarsi nella posizione iniziale.</li>
	<li>Il processo di stampa viene eseguito seguendo i comandi di codice G. In una procedura di stampa strato per strato, i materiali vengono estrusi in proporzione al rapporto di miscelazione che determinano i parametri ottici del fantasma in ogni strato. La stampa continua fino a quando la parte del tessuto sottocutaneo o la parte tumorale è completamente stampata.</li>
	<li>Spostare il modulo dell'ugello di miscelazione nella posizione iniziale spingendo il cilindro. AVVISO: Poiché la polvere di grafite ha un forte assorbimento della luce, deve essere miscelata nel modo più uniforme possibile per evitare cambiamenti nei parametri ottici indotti dall'aggregazione. TiO2 polvere di grandi dimensioni particella facilmente precipita e influenza la precisione di posizionamento del materiale, quindi è necessario mescolare completamente. TiO2 deve essere sostituito se conservato per un lungo periodo di tempo.</li>
</ol>6. Spostamento del substrato nella stazione di carico
<ol><li>Inizializzare la piattaforma mobile 3D e spostare l'asse XY z nella posizione iniziale. Spostare la piattaforma mobile 3D nella posizione di consegna.</li>
	<li>Spostare la mano meccanica nella posizione sopra il substrato spingendo il cilindro.</li>
	<li>Raccogliere il substrato e spostarlo sopra la stazione di carico con la mano meccanica. Posizionare il substrato sulla stazione di carico e completare la stampa automatica.</li>
</ol>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.
<ol><li>Premere su un substrato con uno stampo rettangolare stampato in 3D.</li>
	<li>Versare la PDMS liquida nello stampo.</li>
	<li>Collocare il substrato in un'incubatrice e conservare a 60 gradi per 2 h.</li>
	<li>Rimuovere il fantasma dal substrato.</li>
</ol>

<ol><li>Lu, G., Fei, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Medical+hyperspectral+imaging%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Medical hyperspectral imaging: a review.</a> Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901(2014).</li>
<li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+non-uniform+discrete+Fourier+transform+based+high+speed+spectral+domain+optical+coherence+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system.</a> Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).</li>
<li>Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+diffuse+optical+tomographic+imaging+for+the+provision+of+both+anatomical+and+functional+information+about+biological+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue.</a> Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).</li>
<li>Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+optical+coherence+tomography+over+a+large+depth+range+with+an+axicon+lens%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens.</a> Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).</li>
<li>Iida, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+brain+phantom+containing+bone+and+grey+matter+structures+with+a+realistic+head+contour%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour.</a> Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).</li>
<li>Mobashsher, A. T., Abbosh, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+human+head+phantom+with+realistic+electrical+properties+and+anatomy%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Antennas+and+Wireless+Propagation+Letters%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy.</a> IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).</li>
<li>Li, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+head+phantom+with+realistic+shape+and+spatially+varying+skull+resistivity+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).</li>
<li>Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBykov%2C+A+%22Life+Sciences.+%28International+Society+for+Optics+and+Photonics%29%22">Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics)</a>. , 73760(2011).</li>
<li>Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBykov%2C+AV+%22European+Conference+on+Biomedical+Optics%22">European Conference on Biomedical Optics</a>. , Optical Society of America. 80911(2010).</li>
<li>Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPark%2C+J+%22Design+and+Performance+Validation+of+Phantoms+Used+in+Conjunction+with+Optical+Measurement+of+Tissue+V%22">Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V</a>. , International Society for Optics and Photonics. 85830(2013).</li>
<li>Wróbel, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+optical+skin+phantoms+for+preclinical+evaluation+of+laser+efficiency+for+skin+lesion+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy.</a> Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003(2015).</li>
<li>Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+optical+phantoms+to+simulate+skin+tissue+properties+and+microvasculature%5BTitle%5D)+AND+%22Design+and+Performance+Validation+of+Phantoms+Used+in+Conjunction+with+Optical+Measurement+of+Tissue+Vii%22%5BJournal%5D)">Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature.</a> Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , International Society for Optics and Photonics. 932507(2015).</li>
<li>Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional%2C+distendable+bladder+phantom+for+optical+coherence+tomography+and+white+light+cystoscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009(2014).</li>
<li>Hahn, C., Noghanian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heterogeneous+breast+phantom+development+for+microwave+imaging+using+regression+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models.</a> Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6(2012).</li>
<li>Ansari, M. A., Mohajerani, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+optical+abnormalities+in+breast+phantom+by+diffuse+equation%5BTitle%5D)+AND+%22Optik-International+Journal+for+Light+and+Electron+Optics%22%5BJournal%5D)">Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation.</a> Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).</li>
<li>Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Gen-2+Hand-Held+Optical+Imager%3A+Phantom+and+Preliminary+in-vivo+Breast+Imaging+Studies%5BTitle%5D)+AND+%2229th+Southern+Biomedical+Engineering+Conference%22%5BJournal%5D)">A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies.</a> 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).</li>
<li>Michaelsen, K. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anthropomorphic+breast+phantoms+with+physiological+water%2C+lipid%2C+and+hemoglobin+content+for+near-infrared+spectral+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography.</a> Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012(2014).</li>
<li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+tissue+phantoms+based+on+spin+coating+method%5BTitle%5D)+AND+%22Design+and+Performance+Validation+of+Phantoms+Used+in+Conjunction+with+Optical+Measurement+of+Tissue+VII%22%5BJournal%5D)">Optical tissue phantoms based on spin coating method.</a> Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , International Society for Optics and Photonics. 93250(2015).</li>
<li>Mustari, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Agarose-based+tissue+mimicking+optical+phantoms+for+diffuse+reflectance+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (138), e57578(2018).</li>
<li>Luciano, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+3D+printing+technology+to+merge+MRI+with+histology%3A+A+protocol+for+brain+sectioning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning.</a> Journal of Visualized Experiments. (118), e54780(2016).</li>
<li>Dong, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+fuse+deposition+modeling+of+tissue-simulating+phantom+for+biomedical+optical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging.</a> Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311(2015).</li>
<li>Beltrame, E. D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Biomolecular+Models+for+Research+and+Pedagogy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy.</a> Journal of Visualized Experiments. (121), e55427(2017).</li>
<li>Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+application+of+heterogeneous+printed+mouse+phantoms+for+whole+animal+optical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging.</a> Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).</li>
<li>Liu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+a+multilayer+tissue-mimicking+phantom+with+tunable+optical+properties+to+simulate+vascular+oxygenation+and+perfusion+for+optical+imaging+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology.</a> Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Nella fabbricazione del fantasma multistrato, il materiale utilizzato per il rivestimento a spin è una sorta di materiale leggero al posto del PDMS. Lo strato intermedio viene stampato con il metodo di stampa a getto polijet, che utilizza la resina luminosa come materia prima. Anche se i sottili fantasmi PDMS possono essere realizzati con rivestimento di spin dopo l'aggiunta di alcool tert-butyl, uno strato PDMS non può efficacemente legarsi al materiale leggero durante la stampa poligeti. Pertanto, abbiamo scelto la res...

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60563/60563fig1.jpg"> 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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60563/60563fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>2-idrossi-2-metilpropiofenone</td><td>aladdin</td><td>H110280-500g</td><td>Iniziatore di luce <a href="http://www.aladdin-e.com/" target="_blank">http://www.aladdin-e.com/</a></td></tr><tr><td>Sistema di controllo della stampa 3D</td><td>USTC</td><td>USTC USTC-3DPrinter_control1.0</td><td>su misura github: <a href="https://github.com/macanzhen/3D_printing_control_system_of_ USTC" target="_blank">https://github.com/macanzhen/</a></td></tr><tr><td>Sistema di stampa 3D</td><td>USTC</td><td>USTC-3DPrinter1.0</td><td>su misura</td></tr><tr><td>AcroRip a colori</td><td>Human Plus</td><td>AcroRip v8.2.6</td><td></td></tr><tr><td>Script di affettatura dell'ugello all-in-one</td><td>Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd.</td><td></td><td>github: <a href="https://github.com/macanzhen/3D_printing_Cura_all-in-one-nozzle-slicing-script" target="_blank">https://github.com/macanzhen/</a></td></tr><tr><td>Chinese Red Dye</td><td>Juents</td><td></td><td>Cura</td></tr><tr><td></td><td>Ultimaker</td><td>Cura_15.04.6</td><td></td></tr><tr><td>Gel Wax</td><td>Shanghai Lida Industry Co.,ltd.</td><td>Punto</td><td>di fusione LP: 56 gradi C</td></tr><tr><td>Grafite</td><td>aladdin</td><td>G103922-100g</td><td>Modifica i parametri di assorbimento ottico dell'oggetto <a href="http://www.aladdin-e.com/" target="_blank">http://www.aladdin-e.com/</a></td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>184</td><td></td></tr><tr><td>Biossido di titanio</td><td>ALDRICH</td><td>24858-100G</td><td>347 nm</td></tr><tr><td>Triethylenglicole dimetacrilato</td><td>aladdin</td><td>T101642-250ml</td><td>Monomero fotopolimerizzato <a href="http://www.aladdin-e.com/" target="_blank">http://www.aladdin-e.com/</a></td></tr><tr><td>Inchiostro UV Resina fotopolimerica SLA</td><td>time80s</td><td>RESIN-A</td><td><a href="http://www.time80s.com/zlxz" target="_blank">http://www.time80s.com/zlxz</a></td></tr></tbody></table>

stampa 3d multimodale di fantasmi per simulare il tessuto biologico

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

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.

Fantasma fabbricato con rivestimento a spin Il rivestimento di spin distribuisce uniformemente le goccioline sul substrato ruotando il giradischi, e un singolo strato del corpo originale viene fabbricato dopo la stagionatura. La velocità di rotazione del substrato e il tempo di rotazione non solo influenzano la qualità della superficie del fantasma, ma determinano anche lo spessore di ogni strato del fantasma. Fantasmi di diversi spessori possono essere fabbricati da rivestimento di spin ripetitivo st...

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.

Stampa 3D multimodale di fantasmi per simulare il tessuto biologico

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

Spin-coating, stampa polijet e modellazione di deposizioni fuse sono integrati per produrre fantasmi eterogenei multistrato che simulano proprietà strutturali e funzionali del tessuto biologico. La mancanza di standard fantasma tracciabili che simulano l'eterogeneità strutturale e funzionale del tessuto biologico è diventata il collo di bottiglia per lo sviluppo e la convalida di dispositivi ottici biomedici. Questo video mostra la fabbricazione strato per strato di tessuti eterogenei che simulano i fantasmi integrando più processi di produzione additiva come il rivestimento di spin, la stampa PolyJet e FDM in una linea di produzione di stampa 3D.La capacità tecnica di una tale linea di produzione è esemplificata dalla stampa automatica di fantasmi simulanti della pelle che comprendono epidermide, derma, tessuto sottocutaneo e un tumore incorporato. Preparazione del materiale per la stampa del rivestimento di spin. Aggiungere la polvere di biossido di titanio nella resina fotopolimero SLA, mescolare per 30 minuti su una agitazione magnetica.Sigillare con lamina di latta e sonicare. Vuoto per 10 minuti. Caricarlo nella siringa di stoccaggio Preparazione del materiale per la stampa a poligetto.Aggiungere materiale, sonicare, aggiungere Chinese Red Dye, caricarli nelle cartucce, mettere le cartucce nella stampante. Preparazione del materiale per la stampa FDM. Scaldare la cera gel a bassa densità su un'agitazione magnetica.Aggiungere la polvere di biossido di titanio, aggiungere polvere di grafite nel secondo bicchiere. Caricarli sottovuoto nell'estrusore del modulo ibrido a tre ugelli. Progettazione del fantasma ottico digitale della pelle Impostazione dei parametri per lo spin-coating.Impostare i parametri di velocità e durata di rotazione nel software di controllo. impostare la quantità di materiale di spin-coating e il tempo di polimerizzazione della luce. Preparazione del file sorgente per la stampa polyjet, Importare l'immagine del vaso sanguigno nel software, impostare la posizione di stampa e impostare i parametri del getto d'inchiostro generare il file PRN necessario per la stampa dopo la preparazione completa dell'impostazione del codice G per la stampa FDM, importare il modello tumorale nel software Cura aggiungere lo script di affezione dell'ugello tutto in un unico nel software Cura e tagliare il modello per generare il codice G necessario per la stampa dei documenti importazione del software di controllo della stampa.Fare clic sulla voce di menu File nella barra dei menu. Caricare i file PRN di stampa UV. importare il codice G.Fare clic sul pulsante Avvia stampa. La mano meccanica sposta il substrato sulla stazione di carico al centro dello stadio di campionamento dello spin-coater. Il distributore di colla controlla una flebo siringa del materiale al centro del substrato.Lo spin-coater inizia a funzionare. Far cadere la lampada UV e accenderla e verrà stampata l'epidermide della pelle. Spostare il substrato sulla piattaforma mobile 3D.Spostare il substrato nella posizione iniziale della stampa UV, spingere la stampante a getto d'inchiostro nella posizione di lavoro. La stampante a getto d'inchiostro stampa l'immagine. La lampada UV viene spinta dal cilindro e spostata verso il basso nella posizione sopra il substrato, accendere la lampada UV.Ripetere la ripetizione per il livello successivo di stampa fino al completamento della stampa multistrato. L'ugello di miscelazione viene spostato nella posizione di lavoro con la spinta della stampa del cilindro secondo le istruzioni del codice G. La stampa viene completata fino a quando non viene stampata la porzione di tessuto sottocutaneo della porzione tumorale.Spostare il substrato di nuovo alla stazione di carico proiettare il fantasma dello strato sottocutaneo con l'aiuto di uno stampo Risultati rappresentativi. Risultato della linea di produzione di stampa automatizzata. Integrando i metodi di stampa 3D, il sistema potrebbe creare un tumore come il fantasma seguendo i passaggi del protocollo.Prendere il modello di pelle multistrato semplificato è un esempio. Lo strato di epidermide, lo strato di derma e lo strato di tessuto sottocutaneo con spessori diversi e diverse proprietà ottiche sono fabbricati con il metodo di rivestimento di spin, il metodo di stampa polyjet e il metodo di stampa FDM. Attraverso il modello è stata verificata la possibilità di combinare rivestimento a spin, stampa poligetto e stampa FDM per produrre fantasmi ottici è stata verificata è dimostrato che il sistema ha il potenziale per produrre tessuto ottico fantasma con caratteristiche di simulazione ottica e caratteristiche di simulazione strutturale.

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Utilizzo di estrusione di plastica e moderne tecnologie di stampa, è ora possibile produrre velocemente ea basso costo i modelli fisici di dati a raggi X CT prese in un laboratorio. Il tridimensionale stampa di tomografica dei dati è una visualizzazione potente, di ricerca e strumento didattico, che possono ora essere accessibili da parte della comunità di imaging preclinico.

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Questo documento descrive le procedure interne di costruzione di una multimodalità preclinico fantasma di tessuto-simulando materiali (TM) per l'assicurazione di qualità (QA) di misurazione della dimensione del tumore in modalità di imaging di animali come l'ecografia (US), la tomografia computerizzata (TC) e magnetico Risonanza (MRI).

Costruzione di un Phantom multimodalità preclinici Uso dei materiali di tessuti che imitano per l&#39;assicurazione della qualità delle dimensioni del tumore Misura

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.

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