Powlekanie wirowe, druk polyjet i modelowanie osadzania topionego są zintegrowane w celu wytworzenia wielowarstwowych heterogenicznych fantomów, które symulują strukturalne i funkcjonalne właściwości tkanki biologicznej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Powlekanie wirowe, druk polyjet i modelowanie osadzania topionego są zintegrowane w celu wytworzenia wielowarstwowych heterogenicznych fantomów, które symulują strukturalne i funkcjonalne właściwości tkanki biologicznej.
Biomedyczne obrazowanie optyczne odgrywa ważną rolę w diagnostyce i leczeniu różnych chorób. Jednak na dokładność i odtwarzalność optycznego urządzenia do obrazowania duży wpływ ma charakterystyka działania jego komponentów, środowisko testowe i operacje. Dlatego konieczne jest kalibrowanie tych urządzeń za pomocą identyfikowalnych wzorców fantomowych. Jednak większość obecnie dostępnych fantomów to fantomy jednorodne, które nie mogą symulować multimodalnych i dynamicznych cech tkanki biologicznej. W tym miejscu pokazujemy wytwarzanie heterogenicznych fantomów symulujących tkanki przy użyciu linii produkcyjnej integrującej moduł powlekania wirowego, moduł polyjet, moduł modelowania osadzania topionego (FDM) i platformę automatycznego sterowania. Informacje strukturalne i parametry optyczne "cyfrowego fantomu optycznego" są definiowane w pliku prototypowym, importowane na linię produkcyjną i wytwarzane warstwa po warstwie z sekwencyjnym przełączaniem między różnymi modalnościami drukowania. O możliwościach technicznych takiej linii produkcyjnej świadczy automatyczne drukowanie fantomów symulujących skórę, które składają się z naskórka, skóry właściwej, tkanki podskórnej i osadzonego guza.
Biomedyczne obrazowanie optyczne stanowi rodzinę narzędzi obrazowania medycznego, które wykrywają choroby i anomalie tkankowe w oparciu o oddziaływania światła z tkanką biologiczną. W porównaniu z innymi modalnościami obrazowania, takimi jak obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) i tomografia komputerowa (CT), biomedyczne obrazowanie optyczne wykorzystuje zalety nieinwazyjnego pomiaru cech strukturalnych, funkcjonalnych i molekularnych tkanki przy użyciu tanich i przenośnych urządzeń1,2,3,4. Jednakże, pomimo przewagi pod względem kosztów i przenośności, obrazowanie optyczne nie zyskało powszechnej akceptacji w diagnostyce klinicznej i prowadzeniu terapii, co wynika częściowo ze słabej powtarzalności oraz braku ilościowego mapowania parametrów optycznych i biologicznych. Główną przyczyną tego ograniczenia jest brak prześledzalnych wzorców do ilościowej kalibracji i walidacji urządzeń do biomedycznego obrazowania optycznego.
W przeszłości opracowano szereg fantomów imitujących tkankę do badań nad biomedycznym obrazowaniem optycznym w różnych typach tkanek, takich jak mózg5,6,7, skóra8,9,10,1,12, pęcherz moczowy13 oraz tkanka piersi14,15,16,17. Fantomy te są wytwarzane głównie za pomocą jednego z następujących procesów produkcji: 1) powlekania wirrotacyjnego (spin coating)10,18 (do symulowania jednorodnych i cienkowarstwowych tkanek); 2) formowania19 (do symulowania objętościowych tkanek z cechami geometrycznymi); oraz 3) druku trójwymiarowego (3D)20,21,2 (do symulowania wielowarstwowych tkanek heterogenicznych). Fantomy skóry wytwarzane metodą formowania potrafią naśladować objętościowe właściwości optyczne tkanki skóry, ale nie mogą symulować bocznych heterogeniczności optycznych19. Bentz i współpracownicy wykorzystali dwukanałową metodę druku 3D FDM, aby naśladować różne właściwości optyczne tkanki biologicznej23. Jednakże zastosowanie dwóch materiałów nie pozwala na wystarczającą symulację heterogeniczności i anizotropii optycznej tkanki. Lurie i współpracownicy stworzyli fantom pęcherza moczowego do optycznej tomografii koherentnej (OCT) i cystoskopii, łącząc druk 3D z powlekaniem wirrotacyjnym13. Niemniej jednak heterogeniczne cechy fantomu, takie jak naczynia krwionośne, musiały zostać naniesione ręcznie.
Wśród powyższych procesów wytwarzania fantomów, druk 3D zapewnia największą elastyczność w symulowaniu strukturalnych i funkcjonalnych heterogeniczności tkanki biologicznej. Jednak wiele typów tkanek biologicznych, takich jak tkanka skóry, składa się z wielowarstwowych i wieloskalowych komponentów, których nie można skutecznie odwzorować za pomocą pojedynczego procesu druku 3D. Dlatego konieczna jest integracja wielu procesów wytwórczych. Proponujemy linię produkcyjną druku 3D, która integruje wiele procesów wytwarzania w celu automatycznej produkcji wielowarstwowych i wieloskalowych fantomów symulujących tkanki, służących jako mierzalny wzorzec dla biomedycznego obrazowania optycznego (Rycina 1). Mimo że powlekanie rotacyjne, druk PolyJet oraz FDM są zautomatyzowane w naszej linii produkcyjnej druku 3D, każda z tych metod zachowuje te same charakterystyki funkcjonalne, co w przypadku uznanych procesów. W związku z tym niniejsza praca stanowi ogólne wytyczne dotyczące wytwarzania wieloskalowych, wielowarstwowych i heterogenicznych fantomów symulujących tkanki bez konieczności fizycznej integracji wielu procesów w jednym urządzeniu.

Rysunek 1: Schemat CAD linii produkcyjnej do druku 3D. (A) Linia produkcyjna druku 3D z usuniętą górną obudową. (B) Schemat modułu nanoszenia warstw metodą spin coating oraz modułu ręki mechanicznej. (C) Schemat modułu druku PolyJet. (D) Schemat modułu druku FDM (lampa UV należy do modułu druku polyjet). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie materiałów do druku 3D
UWAGA: Nasza linia do produkcji fantomów optycznych wykorzystuje różnorodne materiały drukarskie do symulacji strukturalnych i funkcjonalnych niejednorodności tkanki biologicznej. Dobór materiałów drukarskich zależy również od procesów produkcyjnych.
2. Przygotowanie modeli komputerowych do multimodalnego druku 3D
UWAGA: Niejednorodna tkanka skórna jest uproszczona do trzech warstw: naskórka, skóry właściwej i tkanki podskórnej. Warstwa naskórka jest wytwarzana przez powlekanie wirowe przy użyciu materiału wprowadzonego w kroku 1.1. Warstwa skóry właściwej jest wytwarzana przez druk polyjet przy użyciu światłoczułego polimeru wprowadzonego w kroku 1.2. Warstwa tkanki podskórnej jest wytwarzana przez FDM przy użyciu materiału wprowadzonego w kroku 1.3. Generowany jest prototypowy plik CAD (Computer Aided Design) o różnych parametrach drukowania, który kieruje wyżej wymienionymi procesami produkcyjnymi.
3. Drukowanie warstwy naskórka skóry jako składnika fantomowego za pomocą powlekania wirowego
UWAGA: Moduł powlekania wirowego składa się głównie z trzech części: 1) powlekarki wirowej; 2) dozownik kleju; oraz 3) lampa UV.
4. Drukowanie fantomowego komponentu warstwy skóry właściwej metodą polyjettingu
UWAGA: Moduł druku polyjet składa się z piezoelektrycznej dyszy do druku atramentowego, trójwymiarowej platformy mobilnej, panelu sterowania i lampy UV (lampy rtęciowej). Jako matrycę stosuje się materiał fotoutwardzalny na bazie rozpuszczalnika, materiał absorpcyjny i materiał rozpraszający. Różne parametry optyczne uzyskuje się poprzez natryskiwanie materiałów w różnych proporcjach w różnych regionach. Na koniec fantom warstwy skóry właściwej jest drukowany i utwardzany warstwa po warstwie.
5. Drukowanie komponentu fantomowego tkanki podskórnej za pomocą FDM
UWAGA: Moduł FDM składa się z hybrydowego modułu trzygłowicowego, modułu jednogłowicowego i platformy mobilnej 3D. Wosk żelowy, materiał absorbujący i materiał rozpraszający są używane jako surowce do przygotowania fantomu symulującego tkankę podskórną / guz. Wosk żelowy jest podgrzewany i topiony w podajniku. Równomiernie mieszany przez głowicę wytłaczającą, jest wytłaczany w celu wydrukowania końcowych fantomów o pożądanych parametrach optycznych.
6. Przenoszenie podłoża z powrotem do stacji załadowczej
7. Odlewanie podskórnej warstwy warstwy fantomowej poprzez formowanie
UWAGA: Jeśli model guza dla fantomu jest zaprojektowany, konieczne będzie odlanie całego fantomu poprzez wylanie polidimetylosiloksanu (PDMS) na zewnątrz guza. Kroki 7.1–7.3 nie są wymagane, aby moduł FDM mógł drukować warstwę tkanki podskórnej bez guza.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Phantom wykonany metodą spin coatingu
Spin coating równomiernie rozprowadza krople na podłożu poprzez obrót stołu obrotowego, a po utwardzeniu powstaje pojedyncza warstwa korpusu. Prędkość obrotowa podłoża oraz czas rotacji wpływają nie tylko na jakość powierzchni phantoma, ale także determinują grubość każdej z jego warstw. Phantomy o różnej grubości można wytwarzać poprzez powtarzalny, warstwowy spin coating. Parametry optyczne phantomów można określić poprzez zmianę proporcji materiałów rozpraszaj...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W produkcji wielowarstwowego fantomu materiał używany do powlekania wirowego jest rodzajem materiału światłoutwardzalnego zamiast PDMS. Warstwa pośrednia jest drukowana metodą druku polyjet, która wykorzystuje jako surowiec żywicę utwardzalną światłem. Chociaż cienkie fantomy PDMS mogą być wytwarzane przez powlekanie wirowe po dodaniu alkoholu tert-butylowego, warstwa PDMS nie może skutecznie wiązać się z materiałem utwardzanym światłem podczas drukowania polyjet. Dlatego wybraliśmy żywicę światłoutwardzalną do powlekani...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Granty nr 11002139 i 81327803) oraz Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych. Dziękujemy Zachary'emu J. Smithowi z Uniwersytetu Nauki i Technologii za udźwiękowienie lektora.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2-Hydroksy-2-metylopropiofenon | aladyn | H110280-500g | Inicjator światła http://www.aladdin-e.com/system |
| kontroli druku 3D | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/system |
| druku 3D | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| Skrypt do krojenia dysz typu "wszystko w jednym | Shenzhen CBD Technology Co., Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ | |
| chiński czerwony barwnik | Juents | Rozpuszczalny w oleju | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Wosk żelowy | Shanghai Lida Industry Co., ltd. | Temperatura | topnienia LP: 56 & deg; C |
| Grafit | aladyn | G103922-100g | Zmień parametry absorpcji optycznej obiektu http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Dwutlenek tytanu | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Glikol trietylenowy dimetakrylan | alladyny | T101642-250ml | Fotoutwardzalny monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| Atrament UV SLA Żywica fotopolimerowa | czas80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.