Fabricação e caracterização de espectros ópticos de tecido contendo Macrostructure
12 de fevereiro de 2018
Espectros de tecido óptico são ferramentas essenciais para calibração e caracterização de sistemas de imagem ópticos e validação de modelos teóricos. Este artigo detalha um método para a fabricação de fantasma que inclui replicação das propriedades ópticas do tecido e a estrutura do tecido tridimensional.
O objetivo geral deste processo de fabricação fantasma é modelar as vias aéreas do camundongo dentro de um polímero opticamente ajustado. Como a estrutura interna é impressa em 3D, esse processo de moldagem pode ser aplicado a uma variedade de outras anatomias. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da óptica tecidual, como a anatomia tridimensional da saúde, pode afetar o transporte de luz no tecido.
A principal vantagem desta técnica é que ela é personalizável para qualquer estrutura que possa ser resolvida por uma impressora 3D. Embora esse método possa fornecer informações como um modelo físico para transporte leve no pulmão, ele também pode ser aplicado a outros sistemas, como sistemas próximos ou modelos 3D com vários materiais. Comece com a fabricação de uma placa de polidimetilsiloxano ou PDMS da recepção seletiva para confirmação das propriedades ópticas.
Usando uma proporção de 10:1 em peso do agente de cura da resina PDMS, despeje a resina PDMS, dióxido de titânio, tinta nanquim e agente de cura PDMS no copo de mistura nessa ordem. A mistura completa de materiais permitirá um material modernista com propriedades de absorção e dispersão inquilinas. Esta etapa é essencial para propriedades ópticas reprodutíveis.
Misture os ingredientes em uma batedeira rápida por 60 segundos. Se partículas de dióxido de titânio grudarem no copo de mistura, misture manualmente para remover as partículas da base do copo antes de misturar no misturador por mais 30 segundos. Em seguida, despeje a mistura em placas de Ross ou Petri para fazer placas finas da mistura.
Desgaseifique as placas por 10 minutos, colocando-as em uma câmara hermética de pressão negativa. Em seguida, coloque as placas em um forno pré-aquecido a 80 graus Celsius por 30 a 60 minutos. Depois de retirar as placas do forno e deixá-las esfriar, retire a placa de polímero resfriada do recipiente.
Em seguida, apare as bordas para deixar uma laje plana e uniforme. Meça a espessura da laje usando calibres. Em seguida, meça a transmitância e a refletância das lajes usando uma esfera integradora.
Ligue a fonte de luz e o espectrômetro da configuração da esfera de integração. Verifique o alinhamento do sistema para garantir que um pequeno feixe colimado esteja centralizado nas portas de entrada e saída da esfera integradora. Para calibrar o sistema de esferas integradoras, desligue a fonte e tampe a porta de saída da esfera integradora.
Registre três espectros escuros. Ligue a fonte novamente para obter a referência de transmissão com a porta de saída tampada e a porta de entrada vazia. Agora registre três espectros.
Em seguida, obter medições de referência de refletância usando padrões de refletância. Coloque cada padrão na porta de saída da esfera. Registre três espectros para cada padrão de refletância.
Em seguida, meça a transmitância da laje com a tampa na porta de saída. Coloque a laje na porta de entrada da esfera integradora para a medição da transmissão. Registre três espectros.
Para medir a refletância da laje, remova a tampa da porta de saída e coloque a laje na porta de saída para a medição da refletância. Registre três espectros. Prossiga para determinar as propriedades ópticas conforme descrito no protocolo de texto.
Selecione um material solúvel para impressão, como álcool polivinílico ou poliestireno de alto impacto. E imprima o modelo sólido neste material solúvel. Quando a impressão estiver concluída, quebre, dissolva ou usine o material de suporte da peça impressa.
Lixe ou lixe qualquer grande em perfeições. O polimento a vapor é importante para controlar a rugosidade da superfície. A resolução axial da impressora 3D fornecerá uma superfície interna áspera, causando refletância difusa dessa superfície.
Para polir a peça impressa a vapor, primeiro faça um furo passante com folga para um fio fino de aço ou nitinol na base da peça impressa enquanto ela estiver presa em um torno. Em seguida, espalhe um fio de aço inoxidável ou nitinol pelo orifício. Dobre as pontas do fio e prenda-as.
Isso permitirá que a peça seja totalmente imersa em vapor de acetona dentro do béquer. Em seguida, coloque o fio e a peça de lado. Trabalhando em uma capela para evitar a inalação de vapor de acetona, encha um copo grande com cerca de 10% de acetona e coloque-o em uma placa quente.
Em seguida, aqueça a 100 graus Celsius. Quando a condensação do vapor de acetona atingir cerca de metade da parede do copo, entregue o fio enrolado com as vias aéreas marcadas em um segundo fio e suspenda-o no vapor de acetona por 15 a 30 segundos. Certifique-se de que as peças impressas não toquem nas paredes do béquer ou umas nas outras.
Retire a peça impressa e suspenda-a sobre o copo ou recipiente vazio. Deixe a peça secar por pelo menos 4 horas. Despeje 9.1 g de resina PDMS em um copo de mistura de plástico.
Adicione 20 mg de dióxido de titânio rutilo seguido de 35 micro litros de tinta nanquim. Por fim, adicione 0,91 g do agente de cura ao topo da mistura. Despeje a mistura final de polímeros no molde resistente ao calor.
Em seguida, despeje uma pequena quantidade da mistura em um recipiente separado para criar uma placa de polímero para confirmação das propriedades ópticas do material. Coloque o molde das vias aéreas marcado na laje separada em uma campânula para desgaseificação. Inicie o processo de vácuo.
Se o polímero no molde das vias aéreas marcado começar a subir, deixe o ar voltar para a campânula para estourar as bolhas da superfície. Em seguida, comece a puxar o ar novamente. Repita esse processo até que o polímero não suba significativamente.
Isso levará de 5 a 10 minutos, dependendo da quantidade de ar retida ao despejar a mistura no molde. Quando o PDMS não subir mais, continue a desgaseificar por mais 15 minutos. Após a desgaseificação, deixe lentamente o ar voltar para a câmara.
Remova o simulador de vias aéreas marcado e a placa de polímero e coloque-os em um forno nivelado a 80 graus Celsius por duas horas. Retire o fantasma e a placa do forno e deixe esfriar por 20 minutos. Em seguida, desmonte o molde de polímero com o bisturi sem cortar o polímero curado.
Encaixe a metade da placa de base da base das vias aéreas marcada. Em seguida, coloque o simulador no banho aquecido à base de hidróxido de sódio até que a parte interna esteja totalmente dissolvida. E o simulador referenciado opticamente limpo pode ajudar a determinar o tempo de dissolução do componente interno.
Uma vez dissolvida a estrutura interna, retire o simulador do banho e deixe-o secar completamente antes de fazer qualquer medição óptica. Depois de verificar a geometria do simulador conforme descrito no protocolo de texto, verifique as propriedades ópticas do simulador usando a placa de polímero e a esfera integradora. São mostrados resultados representativos de imagens fantasmas e verificação da estrutura interna de um simulador pulmonar 3D.
A iluminação interna com luz verde de um fantasma opticamente limpo mostra o reflexo difuso da superfície interna quando a peça impressa em 3D não foi polida a vapor. Por outro lado, um simulador feito com estrutura interna polida a vapor tem refletância difusa mínima na superfície interna. Fantasmas iluminados internamente com luz verde e fotografados com detecção externa mostram uma superfície diferente de radiância quando diferentes concentrações de partículas ópticas são usadas.
O simulador produzido neste vídeo mostra o brilho da superfície espacialmente difusa. No entanto, um simulador com a mesma estrutura interna, mas diferentes concentrações de dióxido de titânio e tinta nanquim, tem uma absorção muito maior e um perfil de brilho diferente do que absorvido na superfície. Como este simulador inclui dióxido de titânio e tinta nanquim, é opticamente opaco, portanto, é mostrada uma verificação da estrutura interna com microtomografia computadorizada.
Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em dois dias se for executada corretamente. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fabricar fantasmas ópticos com uma estrutura impressa em 3D. Esta técnica de fabricação fantasma é usada para explorar o transporte de luz no pulmão do camundongo para otimização de sistemas de imagem de detecção de bactérias.
Veja a transcrição completa e aceda a milhares de vídeos científicos
Visão Geral
Este artigo apresenta um método para fabricar modelos ópticos de tecidos que replicam as propriedades ópticas e as estruturas tridimensionais dos tecidos. O foco está em modelar a via aérea de camundongo dentro de um polímero com propriedades ópticas ajustadas, utilizando impressão 3D para estruturas anatômicas personalizáveis.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Sistemas de imagem óptica
- Óptica de tecidos
- Tecnologia de impressão 3D
Antecedentes
- Os modelos ópticos de tecidos são fundamentais para a calibração de sistemas de imagem.
- Eles ajudam a validar modelos teóricos em óptica de tecidos.
- A impressão 3D permite a replicação de estruturas anatômicas complexas.
- Este método pode ser adaptado para diversos sistemas biológicos.
Objetivo do Estudo
- Para fabricar fantasmas que modelam com precisão as propriedades dos tecidos.
- Para explorar como a anatomia tridimensional afeta o transporte de luz.
- Para fornecer informações sobre o transporte de luz no pulmão e em outros sistemas.
Métodos Utilizados
- Fabricação de uma placa de polidimetilsiloxano (PDMS).
- Impressão 3D de estruturas anatômicas para modelagem óptica.
- Personalização de fantasmas para diversas aplicações biológicas.
- Validação das propriedades ópticas por meio de confirmação experimental.
Resultados Principais
- O método replica com sucesso as propriedades ópticas dos tecidos.
- Podem ser criados fantomas personalizáveis para diferentes estruturas.
- Obtiveram-se insights sobre os mecanismos de transporte da luz em tecidos.
- As aplicações potenciais estendem-se a vários sistemas biológicos.
Conclusões
- Os modelos ópticos de tecidos são valiosos para pesquisas em óptica tissular.
- A impressão 3D melhora a capacidade de modelar anatomias complexas.
- Essa técnica abre novas possibilidades para o estudo das interações entre luz e tecido.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Fantomas teciduais ópticos com complexidade estrutural tridimensional permitem avaliação reprodutível de sistemas de imagem sem depender de modelos animais, reduzindo custos e prazos de validação pré-clínica. Ao imitar propriedades ópticas de tecidos e características anatômicas como vias aéreas ou vasculatura, esses fantomas possibilitam a redução mecanicista de riscos em tecnologias de detecção óptica no estágio inicial de descoberta. Essa abordagem aumenta a confiança preditiva na identificação de compostos promissores ao fornecer uma plataforma ajustável e escalonável para avaliar interações entre luz e tecido em diversos sistemas biológicos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar como estruturas anatômicas tridimensionais influenciam o transporte de luz em ambientes que imitam tecidos.
- Valor Operacional: Apoia a verificação de hipóteses sobre sondas de imagem óptica em modelos de fantomas controlados e reprodutíveis.
- Valor Preditivo: Facilita a redução de riscos biológicos ao correlacionar leituras de sinais baseadas em fantomas com variáveis estruturais e ópticas.
Desenvolvimento de Ensaios e Triagem
- Valor Científico: Fornece fundos ópticos padronizados e ajustáveis para avaliação quantitativa da especificidade da sonda e das relações sinal-ruído.
- Valor Operacional: Permite a reprodutibilidade do ensaio por meio do controle preciso da absorção e dispersão por meio de formulações de dióxido de titânio e tinta nanquim.
- Escalabilidade: Permite a produção de múltiplas variantes de fantomas para triagem paralela de condições de imagem ou concentrações de sonda.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Continuidade Translacional: Conecta medições ópticas na fase de descoberta à validação pré-clínica, simulando atenuação e espalhamento da luz específicos aos tecidos.
- Sistema Relevante para Doenças: Modela patologias associadas às vias aéreas nas quais a estrutura tridimensional afeta o desempenho da imagem, apoiando a validação de alvos em terapêuticas respiratórias.
- Avanço com Ajuste de Risco: Orienta decisões de prosseguir/não prosseguir ao identificar precocemente fatores de confusão óptica no processo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra aos fluxos de trabalho de descoberta inicial ao permitir a avaliação orientada por hipóteses de como a complexidade anatômica afeta a geração e detecção de sinais ópticos, orientando o design de sondas antes da otimização do composto líder.
- Biologia da Descoberta: Apoia a compreensão mecanicista da propagação da luz em tecidos estruturados, auxiliando na seleção de modalidades de imagem com penetração e contraste suficientes.
- Triagem: Fornece saídas quantitativas de transmitância e reflectância que padronizam as condições de imagem em bibliotecas de compostos ou sondas.
- Análises: Gera medições reprodutíveis de propriedades ópticas (coeficientes de absorção e espalhamento) que permitem a normalização de dados e a comparação entre experimentos.
- Pesquisa Translacional: Alinha-se à validação de imagem pré-clínica ao fornecer uma plataforma que imita tecidos para avaliação da fidelidade do sinal em modelos anatomicamente complexos.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma modular de fabricação de fantasmas adaptável a múltiplos sistemas orgânicos (por exemplo, pulmão, vasculatura, tecido neural) por meio de moldes impressos em 3D.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva em sistemas de imagem óptica ao reduzir a variabilidade de sinal relacionada à estrutura do tecido.
- Valor Operacional: Garante reprodutibilidade por meio de receitas padronizadas de materiais (PDMS, TiO₂, nanquim) e protocolos validados de caracterização utilizando espectrometria com esfera integradora.
- Valor Estratégico: Reduz a dependência de tecidos ex vivo e de estudos de imagem em animais para estudos iniciais de viabilidade, melhorando a eficiência do capital no desenvolvimento de sondas.
- Impacto no Portfólio: Permite avaliação objetiva e baseada na física de tecnologias de imagem, apoiando a priorização ajustada ao risco de projetos de sensores ópticos.
Considerações de Implementação
- Exige experiência em medição de propriedades ópticas, mistura de polímeros e técnicas de pós-processamento 3D, como polimento por vapor.
- Depende do acesso a espectrômetros com esfera integradora, câmaras de desgaseificação a vácuo e fornos com controle de temperatura para cura do material.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de fabricação de modelos simulados para garantir consistência lote a lote nas propriedades ópticas.
- Envolve considerações de adaptação ao transpor o modelo de vias aéreas para outras anatomias (por exemplo, redes vasculares, esferoides tumorais) mediante alterações no design do molde impresso em 3D.
- Limitado pela resolução óptica da impressão 3D, que pode introduzir rugosidade superficial, exigindo pós-processamento para minimizar a reflectância artefactual.
