マクロを含む光の組織ファントムの作製と評価

このファントムファブリケーションプロセスの全体的な目標は、光学的に調整されたポリマー内でマウスの気道をモデル化することです。内部構造は3Dプリントされているため、この成形プロセスは他のさまざまな解剖学的構造に適用できます。この方法は、健康、三次元解剖学、組織内の光輸送に影響を与える可能性のある組織光学の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。

この手法の主な利点は、3Dプリンターで解決できる任意の構造に合わせてカスタマイズできることです。この手法は、肺内の光輸送の物理モデルとして知見を得ることができますが、近接系や複数の材料を持つ3Dモデルなど、他の系にも適用することができます。まず、光学特性を確認するために、選択的レセピーのポリジメチルシロキサンまたはPDMSスラブを作製します。

PDMS樹脂硬化剤の重量比を10:1にして、PDMS樹脂、酸化チタン、インディアインク、PDMS硬化剤の順にミキシングカップに注ぎます。材料を徹底的に混合することで、吸収特性と散乱特性を持つモダニズム材料が可能になります。このステップは、再現性のある光学特性に不可欠です。

スピードミキサーで材料を60秒間混ぜます。ミキシングカップに二酸化チタンの粒子が付着した場合は、手で混ぜてカップの底から粒子を取り除き、ミキサーでさらに30秒間混合します。次に、混合物をロス皿またはペトリ皿に注ぎ、混合物の薄いスラブを作ります。

スラブを気密性の低い圧力チャンバーに置いて、10分間ガス抜きします。次に、スラブを摂氏80度に予熱したオーブンに30〜60分間入れます。スラブをオーブンから取り出して冷ました後、冷却したポリマースラブを容器から取り出します。

次に、エッジをトリミングして、平らで均一なスラブを残します。口径を使用してスラブの厚さを測定します。次に、積分球を使用してスラブの透過率と反射率を測定します。

積分球セットアップの光源と分光計をオンにします。システムのアライメントをチェックして、小さなコリメートビームが積分球の入口ポートと出口ポートの中央に配置されていることを確認します。積分球システムをキャリブレーションするには、ソースをオフにし、積分球の出口ポートをキャップします。

3つのダークスペクトルを記録します。ソースを再びオンにして、出口ポートをキャップし、入口ポートを空にして伝送基準を取得します。次に、3つのスペクトルを記録します。

次に、反射率標準器を用いて反射率基準測定値を取得します。各規格を球の出口ポートに配置します。各反射率標準について3つのスペクトルを記録します。

次に、出口ポートのキャップでスラブの透過率を測定します。透過測定のために、積分球の入口ポートにスラブを置きます。3つのスペクトルを記録します。

スラブの反射率を測定するには、出口ポートキャップを取り外し、反射率測定のためにスラブを出口ポートに置きます。3つのスペクトルを記録します。テキストプロトコルで説明されている光学特性の決定に進みます。

プリント用の溶解性材料は、ポリビニルアルコールや耐衝撃性ポリマーなどからお選びください。そして、この溶解可能な材料でソリッドモデルを印刷します。プリントが完了したら、プリントパーツからサポート材を壊す、溶解する、または機械加工します。

ヤスリで削ったり、大きなものを完璧に削り落としたりします。表面の粗さを制御するために、蒸気研磨は重要です。3Dプリンターの軸方向の解像度は、内部表面が粗くなり、その表面から拡散反射が発生します。

プリントパーツを蒸気研磨するには、まずプリントパーツのベースに細いスチールワイヤーまたはニチノールワイヤー用のクリアランスのある貫通穴を開け、バイスに固定します。次に、穴にステンレス鋼またはニチノール線を広げます。ワイヤーの端を曲げて引っ掛けます。

これにより、ビーカー内のアセトン蒸気に部品を完全に浸すことができます。次に、ワイヤーと部品を脇に置きます。アセトン蒸気の吸入を防ぐためにヒュームフードで作業し、大きなビーカーに約10%のアセトンを満たし、ホットプレートに置きます。

その後、100°Cに加熱します。アセトン蒸気の結露がビーカーの壁の約半分に達すると、2番目のワイヤーにマークされた気道を持つループ状のワイヤーを手に入れ、アセトン蒸気に15〜30秒間吊り下げます。印刷したパーツがビーカーの壁や互いに接触しないようにしてください。

印刷したパーツを取り外し、空のビーカーまたはコンテナの上に吊り下げます。部品を少なくとも4時間乾かします。プラスチックミキシングカップにPDMS樹脂9.1gを注ぎます。

20 mgのルチル型二酸化チタンを追加し、続いて35マイクロリットルのインドインクを追加します。.最後に、0.91gの硬化剤を混合物の上部に加えます。最終的なポリマー混合物を耐熱金型に流し込みます。

次に、少量の混合物を別の容器に注ぎ、材料の光学特性を確認するためのポリマースラブを作成します。マークされた気道型の両方を別のスラブに入れて、脱気のためにベルジャーに入れます。バキュームプロセスを開始します。

マークされた気道型のポリマーが上昇し始めたら、空気をベルジャーに戻して表面の気泡を破裂させます。次に、再び空気を引っ張り始めます。ポリマーが大きく上昇しなくなるまで、このプロセスを繰り返します。

これには、混合物を型に流し込むときに閉じ込められた空気の量に応じて、5〜10分かかります。PDMSが上昇しなくなったら、さらに15分間ガス抜きを続けます。脱気後、ゆっくりと空気をチャンバーに戻します。

マークされた気道ファントムとポリマースラブの両方を取り外し、摂氏80度の水平オーブンに2時間置きます。ファントムとスラブをオーブンから取り出し、20分間冷まします。その後、硬化したポリマーを切断せずにメスでポリマーモールドを分解します。

マークされた気道ベースのベースプレートの半分をスナップします。次に、内部部分が完全に溶解するまで、ファントムを加熱された水酸化ナトリウムベースバスに入れます。また、光学的にクリアされた参照ファントムは、内部コンポーネントの溶解時間を決定するのに役立つ場合があります。

内部構造が溶解したら、ファントムを浴から取り出し、完全に乾かしてから光学測定を行います。テキストプロトコルで説明されているようにファントムの形状を確認した後、ポリマースラブと積分球を使用してファントムの光学特性を確認します。ファントムイメージングの代表的な結果と、3次元肺ファントムの内部構造の検証を示します。

光学的にクリアされたファントムの緑色光による内部照明は、3Dプリントされた部品が蒸気研磨されていない場合の内面からの拡散反射を示しています。逆に、蒸気研磨された内部構造で作られたファントムは、内部表面での拡散反射率が最小限に抑えられます。内部を緑色光で照らし、外部検出で画像化されたファントムは、異なる濃度の光学粒子を使用すると、異なる輝度表面を示します。

このビデオで生成されたファントムは、空間的に拡散した表面の輝きを示しています。しかし、内部構造が同じで、二酸化チタンと墨の濃度が異なるファントムは、吸収率がはるかに高く、表面で吸収される輝度プロファイルも異なります。このファントムには二酸化チタンと墨汁が含まれているため、光学的に不透明であるため、マイクロコンピューター断層撮影による内部構造の検証が示されています。

このテクニックを習得すると、適切に実行すれば2日で完了します。このビデオを見れば、3Dプリントされた構造で光学ファントムを作製する方法を十分に理解できるはずです。このファントム作製技術は、マウスの肺内の光輸送を探索し、細菌センシングイメージングシステムの最適化に使用されます。