Este protocolo descreve um método robusto e reprodutível para fabricar fantasmas anisotrópicos de álcool polivinílico (PVA) — ferramentas essenciais para validar técnicas de elastografia por ultrassom que visam tecidos moles anisotrópicos mecanicamente (por exemplo, músculo esquelético).
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Artigo de método
Fabricação Fantasma de Álcool Polivinílico Anisotrópico para Elastografia por Ultrassom: Procedimentos e Controles de Qualidade
Neste artigo
Resumo
Resumo
Os fantasmas do álcool polivinílico (PVA) são tipicamente isotrópicos e amplamente utilizados para validar técnicas de elastografia por ultrassom para avaliação de tecidos moles. No entanto, alguns tecidos moles biológicos (por exemplo, músculo esquelético) apresentam anisotropia mecânica distinta, o que exige o uso de fantasmas anisotrópicos de PVA para testes rigorosos de métodos de elastografia direcionados a esses tecidos. Embora estudos anteriores tenham observado que fantasmas anisotrópicos de PVA internos podem ser fabricados por meio de ciclos de congelamento/descongelamento integrado (FTCs), detalhes técnicos críticos (por exemplo, processo de fabricação, controle de qualidade) permanecem insuficientemente documentados. Este trabalho apresenta um protocolo visualmente detalhado e reproduzível para fabricar fantasmas anisotrópicos de PVA, focando em materiais-chave, processos por etapas e controles de qualidade para induzir anisotropia estável e uniforme. Materiais principais incluem PVA como matriz fantasma, sorbato de potássio como conservante, partículas de grafite como dispersores acústicos e água pura (ou água deionizada) como solvente. O processo de fabricação compreende três estágios centrais: 1) Preparação de uma solução homogênea baseada em PVA por meio de condições térmicas controladas para garantir a dissolução completa do PVA; 2) Solidificação via FTCs: a solução resfriada é despejada em moldes impressos em 3D, seguida por FTCs sem elasticidade para formar uma estrutura preliminar; 3) Induzir anisotropia por meio de FTCs alongadas: FTCs adicionais são realizadas sob alongamento controlado para induzir anisotropia direcional. Medidas de controle de qualidade (por exemplo, evitar bolhas de ar durante a dissolução do PVA) são descritas em detalhes. Após a fabricação, são empregados exames de imagem por ondas de cisalhamento por ultrassom (SWI) e testes de tração uniaxial para confirmar a anisotropia mecânica do fantasma. Este artigo apresenta uma abordagem padronizada para fabricar fantasmas anisotrópicos que imitam tecidos, a fim de validar técnicas de elastografia ultrassonética com maior precisão e consistência.
Introdução
Certos tecidos moles biológicos (por exemplo, músculo esquelético) exibem anisotropia mecânica macroscópica, que se origina de sua arquitetura microestruturalalinhada 1. Especificamente, os tecidos conjuntivos organizam as fibras musculares em uma estrutura hierárquica: o endomisio envolve fibras individuais, o permísio agrupa as fibras em fascículos, e o epimisio encapsula todo o músculo, apoiando a transmissão de força e o suprimento denutrientes 2. Técnicas de elastografia baseadas em ultrassom, como a imagem por onda de cisalhamento (SWI), são amplamente utilizadas para avaliação muscular 3,4. No entanto, as propriedades mecânicas anisotrópicas do músculo teoricamente resultam na propagação de ondas de cisalhamento dependente dadireção 5, o que complica a quantificação da rigidezmuscular 6. Fantasmas que imitam tecidos mecanicamente anisotrópicos são essenciais para o avanço da elastografia por ultrassom na avaliação muscular.
O álcool polivinílico (PVA) é um material ideal para tais fantasmas, pois manter o estiramento mecânico durante os ciclos de congelamento/descongelamento (FTCs) alinha as cadeias moleculares do PVA, induzindo assim anisotropiamecânica 7,8. Abordagens convencionais que utilizam cuboides simples de PVA sob estiramento frequentemente levam a uma deformação inhomogênea devido ao deslizamento superficial, comprometendo assim a reprodutibilidade. Essa limitação pode ser resolvida empregando uma geometria fantasma otimizada com anéis de fixação nas extremidades, que garante estiramento confiável e distribuição uniforme de deformação9 — melhorando significativamente a qualidade dos fantasmas PVA anisotrópicos. Neste estudo, fornecemos uma demonstração visual detalhada da fabricação desses fantasmas anisotrópicos de PVA e validamos sua anisotropia mecânica por meio de testes de SWI e de tração uniaxial.
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Protocolo
NOTA: Os passos a seguir estão ilustrados na Figura 1.
1. 3D impressão de molde fantasma
- Usando software de modelagem 3D, projete a geometria do fantasma para incorporar dois anéis de suporte (um em cada extremidade) para manter a elasticidade, com uma região central eficaz de 35 mm × 60 mm × 5 mm (comprimento × largura × altura) para garantir indução uniforme de anisotropia.
- Imprima o molde usando uma impressora 3D.
NOTA: Os anéis de fixação evitam o deslizamento durante o esticamento, garantindo uma distribuição consistente da deformação. Todos os arquivos de impressão 3D (.stl) são fornecidos no Arquivo Suplementar 1.
2. Preparação da solução de PVA
- Pese pó de PVA (10 em pouco), sorbato de potássio (1 em peso) e partículas de grafite (1 em peso, ~6,5 μm de diâmetro), e meça o volume correspondente de água pura (recomenda-se água desionizada) para preparar um volume lotado de ~200 mL.
- Combine pó de PVA com água pura em um béquer, coloque o béquer sobre um agitador magnético equipado com uma barra de mexer, cubra o béquer com papel alumínio e mexa a ~600 rpm em temperatura ambiente por 10 minutos até que o PVA esteja totalmente disperso.
- Transfira o béquer para um banho-maria a 80 °C e continue aquecendo até que o PVA esteja completamente dissolvido (evidenciado por uma solução clara e sem partículas).
NOTA: Use luvas resistentes ao calor e equipamentos de proteção ocular durante o aquecimento para evitar queimaduras térmicas. Certifique-se de que não restem partículas de PVA não dissolvidas, pois elas comprometerão a homogeneidade fantasma.
3. Adição de aditivos e fundição
- Resfrie a solução para ~40 °C enquanto continua mexendo a ~600 rpm no agitador magnético.
- Remova o papel alumínio, adicione sorbato de potássio e partículas de grafite, cubra novamente com papel alumínio e mexa a ~600 rpm até que os aditivos estejam uniformemente dispersos (confirmando visualmente a distribuição homogênea).
- (Opcional) Desgasifice a solução de PVA para remover bolhas residuais de ar. Coloque o béquer contendo a solução mista em uma câmara a vácuo e aplique um vácuo por aproximadamente 30 minutos para remover as bolhas de ar da solução de PVA.
- Molde a solução no molde impresso em 3D e monte o molde usando parafusos.
NOTA: Evite introduzir bolhas de ar durante o lançamento. Bata suavemente no mofo, se necessário, para eliminar bolhas de ar presas dentro da solução.
4. FTC inicial para solidificação de PVA
- Coloque o mofo em um freezer a −20 °C por 12 horas.
- Remova o mofo do freezer e descongele em temperatura ambiente (20 °C) por 12 horas.
- Desfaça cuidadosamente o fantasma para evitar danos.
NOTA: Essa etapa forma um fantasma base isotrópico, fornecendo uma base estável para a indução subsequente de anisotropia.
5. Induzir anisotropia por meio de FTCs alongados
- Coloque o phantom sobre o dispositivo de alongamento personalizado, estique-o gradualmente até 180% de seu comprimento efetivo (80% de deformação de tração), meça a distância de alongamento manualmente e trave o dispositivo para evitar retração.
- Transfira todo o dispositivo de alongamento (com o fantasma fixado) para um freezer a −20 °C por 12 horas, seguido de descongelamento em temperatura ambiente (20 °C) por 12 horas.
- Repita esse ciclo FTC mais uma vez sob alongamento contínuo.
NOTA: O dispositivo de alongamento personalizado é composto por um estágio linear bidirecional de rosca oposta comercialmente disponível, montado com dois suportes de suporte fantasma impressos em 3D, para os quais os arquivos STL são fornecidos no Arquivo Suplementar 1. Use luvas isolantes contra proteção contra o frio para evitar congelamento ao remover o dispositivo de alongamento do freezer de −20 °C. O alongamento sustentado durante as FTCs alinha as cadeias moleculares do PVA unidirecionalmente. O total de CTT empregado neste estudo: um ciclo sem estiramento + dois ciclos alongados (80% de deformação à tração).
6. Lançamento final e armazenamento
- Após a última etapa de descongelamento do FTC, solte suavemente o dispositivo de alongamento para evitar danos causados pelo recuo.
- Remova o fantasma do dispositivo de alongamento. O fantasma anisotrópico do PVA está agora completo.
- Armazene o fantasma imerso em água dentro de um recipiente plástico lacrado a 4 °C.
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Resultados
A Figura 2A apresenta um esquema de todo o processo de fabricação, incluindo preparação da solução de PVA, moldagem, FTC inicial sem elasticidade, desmoldagem e subsequentes FTCs esticados. Usando o protocolo proposto, fabricamos dois fantasmas anisotrópicos de PVA para testes de SWI e tração uniaxial, respectivamente. A SWI foi realizada usando um sistema de ultrassom de pesquisa equipado com uma sonda L7-4 (frequência central: 5,2 MHz), empregando modo sup...
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Discussão
O sucesso desse protocolo depende de alcançar uma dissolução completa e uniforme do PVA e manter um alongamento sustentado durante as FTCs — dois passos críticos para induzir anisotropia mecânica estável e homogênea. A receita aqui utilizada (ou seja, concentração de PVA, número FTC e deformação de tração aplicada) foi selecionada para fabricar fantasmas anisotrópicos de PVA com rigidez dentro da faixa fisiológica do tecido muscular. Notavelmente, a rigidez e a razão de anisotropia do fa...
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Divulgações
Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.
Agradecimentos
Este estudo foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais de Pequim (Nº 1254038). Os autores gostariam de agradecer à Profª Wei-Ning Lee, da Universidade de Hong Kong, por sua ajuda no teste de imagem de ondas de cisalhamento por ultrassom.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Balanço analítico | OHAUS | AX224 | Balanço analítico com calibração interna, capacidade 220 g, legibilidade 0,1 mg |
| Estágio linear bidirecional, de thread oposto | Taobao | N/A | Faixa de curso de 250 mm para cada rosca, usada para construir o dispositivo de estiramento personalizado |
| Impressora 3D FDM | Laboratório Bambu | X1 Carbon | Usado para imprimir o molde fantasma, assim como os suportes de fixação fantasma para o dispositivo de alongamento personalizado |
| FreeCAD | Comunidade FreeCAD de Código Aberto | N/A | Versão 0.22.0, usada para projetar o molde fantasma e os suportes de contenção fantasma do dispositivo de alongamento personalizado |
| Partículas de grafite | MREDA | M151649 | Partículas de grafite, 99,95% de pureza, 2000 malhas (~6,5 um), usadas como dispersores acústicos, 1% em peso |
| Barra magnética de agitação | Corning | 401435 | Barra magnética de agitação revestida com PTFE, 1 x 3/8 de polegada, para agitar solução de PVA |
| Agitador magnético | IKA | 25005927 | Agitador magnético de controle básico de segurança com RCT e função de aquecimento |
| Álcool polivinílico | MACKLIN | P81584 | Álcool polivinílico, Mw 89000-98000, 95% hidrolisado, usado como matriz fantasma, 10% em peso |
| Sorbato de potássio | Sigma-Aldrich | 85520 | Sorbato de potássio, ≥ 99,0% de pureza, usado como conservante, 1% em peso |
| Estágio de rotação | Newport | URS50BPP | Usado para girar a sonda de ultrassom em exame de imagem por onda de cisalhamento para ângulos multipe da sonda (0° :2° :90°) |
| Máquina universal de teste de coluna única | Instron | Modelo 5944 | Usado para testes de tração uniaxial, sensor de força de 50 N |
| Sistema de Ultrassom de Pesquisa | Verasonics | Vantage 256 | Usado para realizar testes de imagem por ondas de cisalhamento, sonda L7-4 (frequência central: 5,2 MHz) |
| Banho-maria | LÍQUEN | HH-2 | Display digital banho-maria de temperatura constante, 2 furos em fileira única, para aquecimento e dissolução de solução de PVA |
Referências
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- Sherwood, L. . Fundamentals of human physiology. , (2011).
- Stiver, M. L., Mirjalili, S. A., Agur, A. M. Measuring shear wave velocity in adult skeletal muscle with ultrasound 2-D shear wave elastography: a scoping review. Ultrasound Med Biol. 49 (6), 1353-1362 (2023).
- Bercoff, J., Tanter, M., Fink, M. Supersonic shear imaging: a new technique for soft tissue elasticity mapping. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 51 (4), 396-409 (2004).
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Reimpressões e permissões
