Wytwarzanie i charakterystyka fantomów tkanek optycznych zawierających makrostrukturę
12 lutego 2018
Optyczne fantomy tkanek są niezbędnymi narzędziami do kalibracji i charakterystyki systemów obrazowania optycznego oraz walidacji modeli teoretycznych. W tym artykule szczegółowo opisano metodę wytwarzania fantomów, która obejmuje replikację właściwości optycznych tkanek i trójwymiarowej struktury tkanki.
Ogólnym celem tego procesu Phantom Fabrication jest modelowanie dróg oddechowych myszy w optycznie dostrojonym polimerze. Ponieważ struktura wewnętrzna jest drukowana w 3D, ten proces formowania można zastosować do wielu innych anatomii. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu optyki tkankowej, takie jak: Zdrowie: trójwymiarowa anatomia może wpływać na transport światła w tkankach.
Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją dostosować do dowolnej struktury, którą można rozwiązać za pomocą drukarki 3D. Chociaż metoda ta może dostarczyć informacji jako fizyczny model transportu światła w płucach, może być również stosowana do innych systemów, takich jak systemy zamknięte lub modele 3D z wieloma materiałami. Rozpocznij od wytworzenia płyty z polidimetylosiloksanu lub PDMS selektywnego recepii w celu potwierdzenia właściwości optycznych.
Używając utwardzacza żywicy PDMS w stosunku wagowym 10:1, wlej żywicę PDMS, dwutlenek tytanu, tusz indyjski i utwardzacz PDMS do kubka do mieszania w tej kolejności. Dokładne wymieszanie materiałów pozwoli na uzyskanie modernistycznego materiału o właściwościach absorpcji i rozpraszania intenanta. Ten etap jest integralny dla powtarzalnych właściwości optycznych.
Mieszaj składniki w mikserze prędkości przez 60 sekund. Jeśli cząsteczki dwutlenku tytanu przykleją się do kubka miksującego, wymieszaj ręcznie, aby usunąć cząstki z podstawy kubka przed zmieszaniem w mikserze przez kolejne 30 sekund. Następnie wlej mieszaninę na szalki Rossa lub Petriego, aby uzyskać cienkie kawałki mieszanki.
Odgazowuj płyty przez 10 minut, umieszczając je w hermetycznej komorze podciśnieniowej. Następnie umieść płyty w piekarniku nagrzanym do 80 stopni Celsjusza na 30 do 60 minut. Po wyjęciu płyt z piekarnika i pozostawieniu ich do ostygnięcia, wyjmij schłodzoną płytę polimerową z pojemnika.
Następnie przytnij krawędzie, aby pozostawić płaską, jednolitą płytę. Zmierz grubość płyty za pomocą kalibrów. Następnie zmierz przepuszczalność i współczynnik odbicia płyt za pomocą kuli całkującej.
Włącz źródło światła i spektrometr konfiguracji kuli całkującej. Sprawdź wyrównanie systemu, aby upewnić się, że mała skolimowana wiązka jest wyśrodkowana na portach wejściowych i wyjściowych kuli integrującej. Aby skalibrować system kuli integrującej, wyłącz źródło i zakryj port wyjściowy kuli integrującej.
Nagraj trzy ciemne widma. Włącz ponownie źródło, aby uzyskać odniesienie do transmisji z zakrytym portem wyjściowym i pustym portem wejściowym. Teraz nagraj trzy widma.
Następnie należy uzyskać pomiary referencyjne współczynnika odbicia przy użyciu wzorców współczynnika odbicia. Umieść każdy wzorzec w porcie wyjściowym kuli. Zapisz trzy widma dla każdego wzorca odbicia.
Następnie zmierz przepuszczalność płyty za pomocą zaślepki na porcie wyjściowym. Umieść płytę na porcie wejściowym kuli całkującej w celu pomiaru transmisyjnego. Zapisz trzy widma.
Aby zmierzyć współczynnik odbicia płyty, zdejmij zaślepkę portu wyjściowego i umieść płytę na porcie wyjściowym w celu pomiaru współczynnika odbicia. Zapisz trzy widma. Przejdź do określania właściwości optycznych zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Wybierz rozpuszczalny materiał do drukowania, taki jak alkohol poliwinylowy lub polistyren udarowy. I wydrukuj model bryłowy w tym rozpuszczalnym materiale. Po zakończeniu drukowania przełam, rozpuść lub obrób maszynowo materiał podporowy z części drukowanej.
Spiłuj lub zeszlifuj dowolne duże w perfekcji. Polerowanie parowe jest ważne dla kontrolowania chropowatości powierzchni. Rozdzielczość osiowa drukarki 3D da szorstką powierzchnię wewnętrzną, powodując rozproszone odbicie od tej powierzchni.
Aby wypolerować część drukowaną parą, najpierw wywierć otwór przelotowy z prześwitem na cienki drut stalowy lub nitinolowy w podstawie drukowanej części, gdy jest ona zabezpieczona w imadle. Następnie rozłóż drut ze stali nierdzewnej lub nitinolu przez otwór. Zegnij końce drutu i zaczep je o siebie.
Pozwoli to na całkowite zanurzenie części w oparach acetonu w zlewce. Następnie odłóż drut i odłóż na bok. Pracując w dygestorium, aby zapobiec wdychaniu oparów acetonu, napełnij dużą zlewkę acetonem w około 10% i umieść ją na gorącej płycie.
Następnie podgrzej do 100 stopni Celsjusza. Gdy kondensacja par acetonu dotrze mniej więcej do połowy wysokości ścianki zlewki, należy umieścić zapętlony drut z zaznaczonymi drogami oddechowymi na drugim drucie i zawiesić go w oparach acetonu na 15 do 30 sekund. Upewnij się, że drukowane części nie stykają się ze ściankami zlewki ani ze sobą.
Wyjmij wydrukowaną część i zawieś ją nad pustą zlewką lub pojemnikiem. Pozostaw część do wyschnięcia na co najmniej 4 godziny. Wlej 9,1 g żywicy PDMS do plastikowego kubka do mieszania.
Dodaj 20 mg rutylowego dwutlenku tytanu, a następnie 35 mikrolitrów atramentu indyjskiego. Na koniec dodaj 0,91 g utwardzacza na wierzch mieszanki. Wlej końcową mieszaninę polimerów do żaroodpornej formy.
Następnie wlej niewielką ilość mieszaniny do osobnego pojemnika, aby utworzyć płytę polimerową w celu potwierdzenia właściwości optycznych materiału. Umieść obie zaznaczone formy dróg oddechowych w osobnej płycie w słoiku dzwonowym w celu odgazowania. Rozpocznij proces odkurzania.
Jeśli polimer w zaznaczonej pleśni dróg oddechowych zacznie się unosić, wpuść powietrze z powrotem do słoika, aby rozerwać pęcherzyki na powierzchni. Następnie ponownie zacznij wciągać powietrze. Powtarzaj ten proces, aż polimer nie wzrośnie znacząco.
Zajmie to od 5 do 10 minut, w zależności od tego, ile powietrza zostało uwięzione podczas wlewania mieszanki do formy. Gdy PDMS przestanie się podnosić, kontynuuj odgazowywanie przez kolejne 15 minut. Po odgazowaniu powoli wpuść powietrze z powrotem do komory.
Usuń zarówno zaznaczony fantom dróg oddechowych, jak i płytę polimerową i umieść je w równym piekarniku w temperaturze 80 stopni Celsjusza na dwie godziny. Wyjmij fantom i płytę z piekarnika i pozwól im ostygnąć przez 20 minut. Następnie zdemontuj formę polimerową za pomocą skalpela bez przecinania utwardzonego polimeru.
Zatrzaśnij płytkę podstawy do połowy zaznaczonej podstawy dróg oddechowych. Następnie umieść fantom w podgrzanej kąpieli na bazie wodorotlenku sodu, aż część wewnętrzna całkowicie się rozpuści. A optycznie oczyszczony fantom referencyjny może pomóc w określeniu czasu rozpuszczania komponentu wewnętrznego.
Gdy struktura wewnętrzna się rozpuści, wyjmij fantom z kąpieli i pozwól mu całkowicie wyschnąć przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów optycznych. Po zweryfikowaniu geometrii fantomu zgodnie z opisem w protokole tekstowym, należy sprawdzić właściwości optyczne fantomu za pomocą płyty polimerowej i kuli całkującej. Przedstawiono reprezentatywne wyniki obrazowania fantomowego i weryfikacji wewnętrznej struktury fantomu 3D płuca.
Wewnętrzne oświetlenie zielonym światłem optycznie oczyszczonego fantomu pokazuje rozproszone odbicie od wewnętrznej powierzchni, gdy wydrukowana w 3D część nie została wypolerowana parowo. I odwrotnie, fantom wykonany z polerowanej parowo struktury wewnętrznej ma minimalny rozproszony współczynnik odbicia na powierzchni wewnętrznej. Fantomy oświetlone wewnętrznie zielonym światłem i zobrazowane za pomocą detekcji zewnętrznej wykazują różną powierzchnię promieniowania, gdy stosuje się różne stężenia cząstek optycznych.
Fantom wytworzony na tym filmie pokazuje przestrzennie rozproszone promieniowanie powierzchniowe. Jednak fantom o tej samej strukturze wewnętrznej, ale różnych stężeniach dwutlenku tytanu i tuszu indyjskiego ma znacznie wyższą absorpcję i inny profil promieniowania jako pochłonięty na powierzchni. Ponieważ fantom ten zawiera dwutlenek tytanu i tusz indyjski, jest optycznie nieprzezroczysty, dlatego pokazana jest weryfikacja struktury wewnętrznej za pomocą tomografii mikrokomputerowej.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu dwóch dni, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać fantomy optyczne za pomocą struktury wydrukowanej w 3D. Ta technika wytwarzania fantomów jest wykorzystywana do badania transportu światła w płucach myszy w celu optymalizacji systemów obrazowania wykrywających bakterie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę wytwarzania optycznych fantomów tkanek, które odwzorowują właściwości optyczne i struktury trójwymiarowe tkanek. Głównym celem jest modelowanie dróg oddechowych myszy wewnątrz polimeru o dostrojonych właściwościach optycznych, z wykorzystaniem druku 3D do tworzenia dostosowanych struktur anatomicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Systemy obrazowania optycznego
- Optyka tkanek
- Technologia druku 3D
Wstęp
- Optyczne fantomy tkanek są kluczowe dla kalibracji systemów obrazowania.
- Pomagają one w walidacji modeli teoretycznych w optyce tkanek.
- Druk 3D umożliwia replikację złożonych struktur anatomicznych.
- Metoda ta może zostać dostosowana do różnych systemów biologicznych.
Cel badania
- W celu wytworzenia fantomów, które dokładnie modelują właściwości tkanek.
- W celu zbadania, w jaki sposób anatomia trójwymiarowa wpływa na transport światła.
- W celu uzyskania wglądu w transport światła w płucach i innych układach.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie płytki z polidimetylosiloksanu (PDMS).
- Druk 3D struktur anatomicznych do modelowania optycznego.
- Dostosowywanie fantomów do różnych zastosowań biologicznych.
- Walidacja właściwości optycznych poprzez potwierdzenie eksperymentalne.
Główne wyniki
- Metoda ta skutecznie odwzorowuje właściwości optyczne tkanek.
- Można tworzyć konfigurowalne fantomy dla różnych struktur.
- Uzyskano wiedzę na temat mechanizmów transportu światła w tkankach.
- Potencjalne zastosowania obejmują różne systemy biologiczne.
Wnioski
- Optyczne fantomy tkanek są niezwykle cenne w badaniach nad optyką tkanek.
- Druk 3D zwiększa możliwości modelowania złożonych struktur anatomicznych.
- Technika ta otwiera nowe możliwości badania oddziaływań światła z tkanką.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Optyczne fantomy tkankowe o złożonej strukturze 3D umożliwiają powtarzalną ocenę systemów obrazowania bez polegania na modelach zwierzęcych, co skraca czas i obniża koszty walidacji przedklinicznej. Poprzez naśladowanie właściwości optycznych tkanek oraz cech anatomicznych, takich jak drogi oddechowe czy układ naczyniowy, fantomy te wspierają mechanistyczną redukcję ryzyka w rozwoju technologii optycznego wykrywania na wczesnym etapie odkryć. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w identyfikacji wiodących kandydatów, zapewniając regulowaną i skalowalną platformę do oceny oddziaływań światło-tkanka w różnych systemach biologicznych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie wpływu trójwymiarowych struktur anatomicznych na transport światła w środowiskach imitujących tkankę.
- Wartość operacyjna: Wspiera testowanie hipotez dotyczących sond do obrazowania optycznego w kontrolowanych i powtarzalnych modelach fantomowych.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez korelację odczytów sygnałów z fantomów ze zmiennymi strukturalnymi i optycznymi.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowane, regulowane tła optyczne do ilościowej oceny specyficzności sond oraz stosunków sygnału do szumu.
- Wartość operacyjna: Umożliwia powtarzalność analizy dzięki precyzyjnej kontroli absorpcji i rozpraszania za pomocą formulacji z dwutlenkiem tytanu i tuszem indyjskim.
- Skalowalność: Pozwala na produkcję wielu wariantów fantomów do równoległego przesiewania warunków obrazowania lub stężeń sond.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy pomiary optyczne z fazy odkryć z walidacją przedkliniczną poprzez symulację osłabienia i rozpraszania światła specyficznego dla danej tkanki.
- System istotny dla jednostek chorobowych: Modeluje patologie związane z drogami oddechowymi, w których struktura 3D wpływa na wydajność obrazowania, wspierając walidację celów w terapiach oddechowych.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Dostarcza informacji do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez wczesną identyfikację czynników zakłócających pomiary optyczne w procesie badawczym.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów badawczych, umożliwiając opartą na hipotezach ocenę wpływu złożoności anatomicznej na generowanie i detekcję sygnałów optycznych, co pozwala na dopracowanie projektu sondy przed optymalizacją wiodących związków.
- Biologia odkryć: Wspiera mechanistyczne zrozumienie propagacji światła w tkankach strukturalnych, pomagając w wyborze modalności obrazowania o odpowiedniej penetracji i kontraście.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowe wyniki transmitancji i odbicia, które standaryzują warunki obrazowania dla bibliotek związków lub sond.
- Analityka: Generuje powtarzalne pomiary właściwości optycznych (współczynników absorpcji i rozpraszania), które umożliwiają normalizację danych i porównania między różnymi eksperymentami.
- Badania translacyjne: Wspiera walidację obrazowania przedklinicznego, zapewniając platformę imitującą tkankę do oceny wierności sygnału w anatomicznie złożonych modelach.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy modułową platformę do wytwarzania fantomów, którą można dostosować do wielu układów organów (np. płuc, naczyń krwionośnych, tkanki nerwowej) za pomocą form drukowanych w 3D.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w systemach obrazowania optycznego poprzez minimalizację ryzyka zmienności sygnału związanej ze strukturą tkanek.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki standaryzowanym recepturom materiałowym (PDMS, TiO₂, tusz indyjski) i zwalidowanym protokołom charakterystyki z wykorzystaniem spektrometrii z kulą całkowitego promieniowania.
- Wartość strategiczna: Zmniejsza zależność od tkanek ex vivo i obrazowania zwierzęcego w ramach wczesnych badań wykonalności, poprawiając efektywność kapitałową w procesie opracowywania sond.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia obiektywną, opartą na fizyce ocenę technologii obrazowania, wspierając priorytetyzację projektów czujników optycznych z uwzględnieniem poziomu ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu pomiaru właściwości optycznych, mieszania polimerów oraz technik postprocesowania druku 3D, takich jak polerowanie parowe.
- Wymagany jest dostęp do spektrometrów z kulą całkującą, komór do odgazowywania próżniowego oraz pieców z kontrolą temperatury do utwardzania materiału.
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja protokołów wytwarzania fantomów w celu zapewnienia spójności właściwości optycznych między poszczególnymi partiami.
- Konieczne jest uwzględnienie adaptacji przy przenoszeniu modelu dróg oddechowych na inne struktury anatomiczne (np. sieci naczyniowe, sferoidy nowotworowe) poprzez modyfikację projektu formy do druku 3D.
- Metoda jest ograniczona rozdzielczością optyczną druku 3D, która może wprowadzać chropowatość powierzchni wymagającą postprocesowania w celu zminimalizowania artefaktów odbicia.
