Fabricage en karakterisatie van optische weefsel Phantoms met macrostructuur
12 februari 2018
Optische weefsel phantoms zijn essentiële instrumenten voor het kalibreren en karakterisatie van optische beeldvormingssystemen en validatie van theoretische modellen. In dit artikel een overzicht van een methode voor phantom fabrikatie waarin replicatie van weefsel optische eigenschappen en structuur van de drie-dimensionale weefsel.
Het algemene doel van dit Phantom Fabrication-proces is om de muizenluchtweg te modelleren binnen een optisch afgesteld polymeer. Omdat de interne structuur 3D-geprint is, kan dit gietproces op een verscheidenheid aan andere anatomieën worden toegepast. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen in het veld van weefseloptica, zoals hoe gezondheid en driedimensionale anatomie het lichttransport in weefsels kunnen beïnvloeden.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het aanpasbaar is voor elke structuur die door een 3D-printer kan worden opgelost. Hoewel deze methode inzicht kan bieden als een fysiek model voor lichttransport in de long, kan deze ook worden toegepast op andere systemen zoals gesloten systemen of 3D-modellen met meerdere materialen. Begin met het fabriceren van een polydimethylsiloxaan of PDMS-plaat van de selectieve receptie voor bevestiging van optische eigenschappen.
Gebruik een gewichtsverhouding van 10:1 van PDMS-harshardingsmiddel giet PDMS-hars, titaandioxide, Indiase inkt en PDMS-hardingsmiddel in de mengcup in die volgorde. Grondig mengen van materialen zal een modernistisch materiaal mogelijk maken met eigenschappen van absorptie en verstrooiing. Deze stap is integraal voor reproduceerbare optische eigenschappen.
Meng de ingrediënten 60 seconden in een snelheidsmixer. Als titaandioxidedeeltjes aan de mengcup plakken, meng dan met de hand om de deeltjes van de bodem van de cup te verwijderen voordat u ze nog eens 30 seconden in de mixer mengt. Giet vervolgens het mengsel in Ross- of Petri-schotels om dunne plakken van het mengsel te maken.
Degasseer de plakken gedurende 10 minuten door ze in een luchtdichte negatieve druk kamer te plaatsen. Plaats de plakken vervolgens in een voorverwarmde oven op 80 graden Celsius gedurende 30 tot 60 minuten. Nadat u de plakken uit de oven hebt gehaald en ze heeft laten afkoelen, verwijdert u de afgekoelde polymeerplaat uit zijn container.
Snijd vervolgens de randen af om een platte uniforme plaat te laten. Meet de dikte van de plaat met behulp van kalibratoren. Meet vervolgens de transmissie en reflectie van de plakken met behulp van een integrerende bol.
Zet de lichtbron en spectrometer van de integrerende bol-setup aan. Controleer de uitlijning van het systeem om ervoor te zorgen dat een kleine collimateerde straal gecentreerd is op de ingangs- en uitgangspoorten van de integrerende bol. Om het integrerende bolsysteem te kalibreren, zet de bron uit en plaats de uitgangspoort van de integrerende bol af.
Neem drie donkere spectra op. Zet de bron weer aan om de transmissiereferentie te verkrijgen met de uitgangspoort afgesloten en de ingangspoort leeg. Neem nu drie spectra op.
Verkrijg vervolgens reflectiereferentiemetingen met behulp van reflectiestandaarden. Plaats elke standaard bij de uitgangspoort van de bol. Neem voor elke reflectiestandaard drie spectra op.
Meet vervolgens de transmissie van de plaat met de afsluiting op de uitgangspoort. Plaats de plaat op de ingangspoort van de integrerende bol voor de transmissiemeting. Neem drie spectra op.
Om de reflectie van de plaat te meten, verwijdert u de afsluiting van de uitgangspoort en plaatst u de plaat op de uitgangspoort voor de reflectiemeting. Neem drie spectra op. Ga door met het bepalen van optische eigenschappen zoals beschreven in het tekstprotocol.
Selecteer een oplosbaar materiaal voor printen zoals polyvinylalcohol of hoge impactpolystyreen. En print het solide model in dit oplosbare materiaal. Wanneer de print voltooid is, breekt, lost of machineert u het ondersteunende materiaal van het gedrukte onderdeel af.
Vijlen of schuren van eventuele grote onvolkomenheden. Damppolijsten is belangrijk om de oppervlakte-ruwheid te beheersen. De axiale resolutie van de 3D-printer geeft een ruw interne oppervlak dat diffuse reflectie van dat oppervlak veroorzaakt.
Om het gedrukte onderdeel met damp te polijsten, boor eerst een doorgaand gat met helderheid voor een dunne staal- of nitinoldraad in de basis van het gedrukte onderdeel terwijl het vastgezet is in een tang. Verspreid vervolgens een roestvrijstalen of nitinoldraad door het gat. Buig de uiteinden van de draad en haak ze samen.
Dit maakt het mogelijk om het onderdeel volledig onder te dompelen in acetondamp in de beker. Zet vervolgens de draad en het onderdeel opzij. Werk in een afzuiging om inademing van acetondamp te voorkomen vul een grote beker ongeveer 10% vol met aceton en plaats deze op een hotplate.
Verwarm vervolgens tot 100 graden Celsius. Wanneer de acetondampcondensatie ongeveer halverwege de muur van de beker is, plaats de gesloten draad met de gemarkeerde luchtweg op een tweede draad en hang het in de acetondamp gedurende 15 tot 30 seconden. Zorg ervoor dat gedrukte onderdelen de bekerwanden of elkaar niet aanraken.
Verwijder het gedrukte onderdeel en hang het boven de lege beker of container. Laat het onderdeel minimaal 4 uur drogen. Giet 9,1 g PDMS-hars in een plastic mengcup.
Voeg 20 mg rutiel titaandioxide toe, gevolgd door 35 microliter Indiase inkt. Voeg ten slotte 0,91 g van het hardingsmiddel toe aan de bovenkant van het mengsel. Giet het uiteindelijke polymeermengsel in de hittebestendige mal.
Giet vervolgens een kleine hoeveelheid van het mengsel in een aparte container om een polymeerplaat te maken voor bevestiging van de optische eigenschappen van het materiaal. Plaats zowel de gemarkeerde luchtwegmal als de mal van de aparte plaat in een klokglas voor degassing. Begin met het vacuümproces.
Als het polymeer in de gemarkeerde luchtwegmal begint te stijgen, laat de lucht terug in de klok om de oppervlaktebelletjes te doen barsten. Begin vervolgens opnieuw met het trekken van lucht. Herhaal dit proces totdat het polymeer niet meer significant stijgt.
Dit duurt tussen de 5 en 10 minuten, afhankelijk van hoeveel lucht er vastzat toen het men
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor het vervaardigen van optische weefselphantoms die de optische eigenschappen en driedimensionale structuren van weefsel nabootsen. De focus ligt op het modelleren van de luchtweg van de muis binnen een optisch afgestelde polymeer, waarbij 3D-printen wordt gebruikt voor aanpasbare anatomische structuren.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschappelijk gebied
- Optische beeldvormingssystemen
- Weefseloptica
- 3D-printtechnologie
Achtergrond
- Optische weefselphantomen zijn essentieel voor het kalibreren van beeldsystemen.
- Ze helpen bij het valideren van theoretische modellen in de weefseloptica.
- 3D-printen maakt de reproductie van complexe anatomische structuren mogelijk.
- Deze methode kan worden aangepast voor diverse biologische systemen.
Doel van de studie
- Om fantomen te vervaardigen die weefseleigenschappen nauwkeurig modelleren.
- Om te onderzoeken hoe driedimensionale anatomie het lichttransport beïnvloedt.
- Om inzicht te verschaffen in lichttransport in de long en andere systemen.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een polydimethylsiloxaan (PDMS) plaat.
- 3D-printen van anatomische structuren voor optische modellering.
- Aanpassing van phantoms voor diverse biologische toepassingen.
- Validatie van optische eigenschappen via experimentele bevestiging.
Belangrijkste resultaten
- De methode reproduceert succesvol de optische eigenschappen van weefsel.
- Aanpasbare phantomen kunnen worden gemaakt voor verschillende structuren.
- Er is inzicht verkregen in de lichttransportmechanismen in weefsels.
- Potentiële toepassingen strekken zich uit tot diverse biologische systemen.
Conclusies
- Optische weefselphantoms zijn waardevol voor onderzoek naar weefseloptiek.
- 3D-printen vergroot de mogelijkheid om complexe anatomieën te modelleren.
- Deze techniek opent nieuwe wegen voor het bestuderen van interacties tussen licht en weefsel.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Optische weefselphantomen met 3D-structurele complexiteit maken een reproduceerbare evaluatie van beeldsystemen mogelijk zonder afhankelijk te zijn van diermodellen, waardoor de kosten en tijdlijnen voor preklinische validatie worden verminderd. Door optische weefseleigenschappen en anatomische kenmerken, zoals luchtwegen of vaatstelsels, na te bootsen, ondersteunen deze phantomen het mechanisch minimaliseren van risico's bij optische sensortechnologieën in de vroege ontdekkingsfase. Deze aanpak vergroot het voorspellende vertrouwen bij de identificatie van lead-verbindingen door een afstembaar, schaalbaar platform te bieden voor het beoordelen van licht-weefselinteracties in diverse biologische systemen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om te onderzoeken hoe 3D-anatomische structuren het lichttransport in weefselnabootsende omgevingen beïnvloeden.
- Operationele waarde: Ondersteunt het toetsen van hypothesen voor optische beelding-probes in gecontroleerde, reproduceerbare fantoommodellen.
- Voorspellende waarde: Faciliteert biologische risicoreductie door signaalmetingen op basis van fantomen te correleren met structurele en optische variabelen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt gestandaardiseerde, instelbare optische achtergronden voor kwantitatieve beoordeling van probespecificiteit en signaal-ruisverhoudingen.
- Operationele waarde: Maakt reproduceerbaarheid van assays mogelijk door nauwkeurige controle van absorptie en verstrooiing via formuleringen van titaandioxide en Indiase inkt.
- Schaalbaarheid: Maakt de productie van meerdere phantom-varianten mogelijk voor parallelle screening van beeldvormingscondities of probeconcentraties.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen optische metingen in de ontdekkingsfase en preklinische validatie door weefselspecifieke lichtattenuatie en verstrooiing te simuleren.
- Ziekte-relevant systeem: Modelleert luchtweggerelateerde pathologieën waarbij de 3D-structuur de beeldvormingsprestaties beïnvloedt, ter ondersteuning van targetvalidatie bij respiratoire therapieën.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Informeert go/no-go-beslissingen door optische confounders in een vroeg stadium van de pipeline te identificeren.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in vroege discovery-workflows door een hypothesegestuurde beoordeling mogelijk te maken van hoe anatomische complexiteit de generatie en detectie van optische signalen beïnvloedt, wat bijdraagt aan het ontwerp van probes vóór lead-optimalisatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt het mechanistische begrip van lichtvoortplanting in gestructureerde weefsels, wat helpt bij de selectie van beeldvormingsmodaliteiten met voldoende penetratie en contrast.
- Screening: Levert kwantitatieve resultaten voor transmissie en reflectie die de beeldvormingscondities standaardiseren over bibliotheken van verbindingen of probes.
- Analytics: Genereert reproduceerbare metingen van optische eigenschappen (absorptie- en verstrooiingscoëfficiënten) die datanormalisatie en vergelijking tussen experimenten mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij de validatie van preklinische beeldvorming door een weefselnabootsend platform te bieden voor het beoordelen van de signaaltrouw in anatomisch complexe modellen.
- Bedrijfsmatige Hergebruik: Vestigt een modulair platform voor de fabricage van phantoms dat via 3D-geprinte mallen aanpasbaar is aan meerdere orgaansystemen (bijv. longen, vasculatuur, neuraal weefsel).
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellingsvertrouwen in optische beeldvormingssystemen door signaalvariabiliteit gerelateerd aan weefselstructuren te minimaliseren.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde materiaalsamenstellingen (PDMS, TiO₂, India-inkt) en gevalideerde karakteriseringsprotocollen middels integrerende bol-spectrometrie.
- Strategische waarde: Vermindert de afhankelijkheid van ex vivo weefsel en dierbeeldvorming voor vroege haalbaarheidsstudies, wat de kapitaalefficiëntie bij de ontwikkeling van probes verbetert.
- Impact op portfolio: Maakt objectieve, op fysica gebaseerde beoordeling van beeldvormingstechnologieën mogelijk, wat bijdraagt aan een risico-gecorrigeerde prioritering van optische sensingsprojecten.
Overwegingen voor Implementatie
- Vereist expertise in het meten van optische eigenschappen, polymeermengen en 3D-nabewerkingstechnieken zoals damppolijsten.
- Afhankelijk van toegang tot spectrometers met een integrerende bol, vacuümontgassingskamers en temperatuurgecontroleerde ovens voor het uitharden van materiaal.
- Necessiteert cross-team standaardisatie van protocollen voor de fabricage van phantoms om batch-to-batch consistentie in de optische eigenschappen te garanderen.
- Omvat overwegingen voor adaptatie bij het vertalen van het luchtwegmodel naar andere anatomieën (bijv. vasculaire netwerken, tumorsferoïden) via wijzigingen in het ontwerp van de 3D-geprinte mal.
- Beperkt door de optische resolutie van 3D-printen, wat oppervlakteruwheid kan introduceren die nabewerking vereist om artefactuele reflectie te minimaliseren.
