Изготовление и характеристика фантомы оптических ткани, содержащие макроструктуры

Общая цель этого процесса Phantom Fabrication — смоделировать дыхательные пути мыши в оптически настроенном полимере. Поскольку внутренняя структура печатается на 3D-принтере, этот процесс формования может быть применен к множеству других анатомий. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области тканевой оптики, такие как здоровье: трехмерная анатомия может влиять на перенос света в тканях.

Основное преимущество этой техники заключается в том, что она может быть настроена для любой структуры, которую можно решить с помощью 3D-принтера. Хотя этот метод может дать представление о переносе света в легких в виде физической модели, он также может быть применен к другим системам, таким как тесные системы или 3D-модели с несколькими материалами. Начните с изготовления пластины из полидиметилсилоксана или PDMS селективного рецепта для подтверждения оптических свойств.

Используя соотношение 10:1 по весу отвердителя смолы PDMS, налейте смолу PDMS, диоксид титана, индийские чернила и отвердитель PDMS в чашку для смешивания в указанном порядке. Тщательное смешивание материалов позволит получить модернистский материал с присущими абсорбционным и рассеивающим свойствами. Этот шаг является неотъемлемой частью воспроизводимых оптических свойств.

Смешайте ингредиенты в скоростном миксере в течение 60 секунд. Если частицы диоксида титана прилипли к чашке для смешивания, перемешайте вручную, чтобы удалить частицы с основания чашки, прежде чем смешивать в смесителе еще 30 секунд. Далее вылейте смесь в чашки Росса или Петри, чтобы получилась тонкая плитка смеси.

Дегазируйте плиты в течение 10 минут, поместив их в герметичную камеру отрицательного давления. Затем поместите плиты в разогретую до 80 градусов духовку на 30-60 минут. Вынув плиты из печи и дав им остыть, достаньте остывшую полимерную плиту из ее емкости.

Затем обрезаем края, чтобы получилась ровная однородная плита. Измерьте толщину плиты с помощью калибров. Затем измерьте коэффициент пропускания и отражения плит с помощью интегрирующей сферы.

Включите источник света и спектрометр установки интегрирующей сферы. Проверьте выравнивание системы, чтобы убедиться, что небольшой коллимированный луч центрирован на входных и выходных отверстиях интегрирующей сферы. Чтобы откалибровать систему интегрирующей сферы, выключите источник и закройте выходной порт интегрирующей сферы.

Запишите три темных спектра. Снова включите источник, чтобы получить опорный сигнал передачи с закрытым выходным портом и пустым входным портом. Теперь запишите три спектра.

Затем получите эталонные измерения отражательной способности с использованием стандартов отражения. Разместите каждый штандарт в выходном порту сферы. Запишите три спектра для каждого стандарта отражения.

Далее измерьте коэффициент пропускания плиты с заглушкой на выходном порту. Поместите плиту на входной порт интегрирующей сферы для измерения передачи. Запишите три спектра.

Чтобы измерить отражательную способность плиты, снимите крышку выходного порта и поместите плиту на выходной порт для измерения отражательной способности. Запишите три спектра. Перейдите к определению оптических свойств, как описано в текстовом протоколе.

Выберите растворимый материал для печати, например поливиниловый спирт или ударопрочный полистирол. И распечатайте твердотельную модель в этом растворимом материале. Когда печать будет завершена, разбейте, растворите или отрежьте вспомогательный материал от напечатанной детали.

Подпилите или отшлифуйте любой крупный в совершенстве. Полировка паром важна для контроля шероховатости поверхности. Осевое разрешение 3D-принтера дает шероховатую внутреннюю поверхность, вызывающую диффузное отражение от этой поверхности.

Чтобы отполировать напечатанную деталь паровой полировкой, сначала просверлите сквозное отверстие с зазором для тонкой стальной или нитиноловой проволоки в основании напечатанной детали, пока она закреплена в тисках. Далее протяните через отверстие проволоку из нержавеющей стали или нитинола. Согните концы проволоки и зацепите их между собой.

Это позволит полностью погрузить деталь в пары ацетона внутри стакана. Затем отложите проволоку и часть в сторону. Работая в вытяжном шкафу, чтобы предотвратить вдыхание паров ацетона, наполните большую мензурку примерно на 10% ацетоном и положите ее на горячую плиту.

Затем нагрейте до 100 градусов по Цельсию. Когда конденсация паров ацетона достигает примерно половины стенки стакана, переложите петлевую проволоку с отмеченным воздуховодом на вторую проволоку и подвесьте ее в парах ацетона на 15-30 секунд. Убедитесь, что напечатанные детали не соприкасаются со стенками стакана или друг с другом.

Снимите напечатанную деталь и подвесьте ее над пустым стаканом или контейнером. Дайте детали высохнуть не менее 4 часов. Налейте 9,1 г смолы PDMS в пластиковый стаканчик для смешивания.

Добавьте 20 мг диоксида титана рутила, а затем 35 микролитров индийских чернил. Наконец, добавьте 0,91 г отвердителя в верхнюю часть смеси. Залейте готовую полимерную смесь в термостойкую форму.

Затем небольшое количество смеси высыпают в отдельную емкость для создания полимерной плиты для подтверждения оптических свойств материала. Поместите обе отмеченные формы для дыхательных путей в отдельную плиту в колпак для дегазации. Начните процесс вакуумирования.

Если полимер в отмеченной форме для дыхательных путей начинает подниматься, позвольте воздуху вернуться в колпаковую банку, чтобы лопнуть поверхностные пузырьки. Затем снова начинают втягивать воздух. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока полимер значительно не поднимется.

Это займет от 5 до 10 минут в зависимости от того, сколько воздуха было захвачено при заливке смеси в форму. Как только PDMS перестанет подниматься, продолжайте дегазацию еще 15 минут. После дегазации медленно впустите воздух обратно в камеру.

Снимите отмеченный фантом дыхательных путей и полимерную пластину и поместите их в духовку при температуре 80 градусов Цельсия на два часа. Достаньте фантом и плиту из духовки и дайте им остыть в течение 20 минут. Затем разберите полимерную форму с помощью скальпеля, не разрезая отвержденный полимер.

Защелкните опорную плиту наполовину от отмеченного основания дыхательных путей. Далее поместите фантом в нагретую ванну с основанием гидроксида натрия до полного растворения внутренней части. А оптически очищенный референсный фантом может помочь определить время растворения внутреннего компонента.

Как только внутренняя структура растворится, выньте фантом из ванны и дайте ему полностью высохнуть, прежде чем проводить какие-либо оптические измерения. После проверки геометрии фантома, как описано в текстовом протоколе, проверьте оптические свойства фантома с помощью полимерной пластины и интегрирующей сферы. Приведены репрезентативные результаты фантомной визуализации и верификации внутренней структуры 3D легкого фантома.

Внутренняя подсветка зеленым светом оптически очищенного фантома показывает рассеянное отражение от внутренней поверхности, когда напечатанная на 3D-принтере деталь не была отполирована паром. И наоборот, фантом, выполненный из отполированной паром внутренней структуры, имеет минимальную диффузионную отражательную способность на внутренней поверхности. Фантомы, подсвеченные изнутри зеленым светом и визуализированные с помощью внешнего обнаружения, показывают различную поверхность излучения при использовании различных концентраций оптических частиц.

Фантом, созданный на этом видео, демонстрирует пространственно рассеянное поверхностное излучение. Тем не менее, фантом с той же внутренней структурой, но разными концентрациями диоксида титана и индийских чернил имеет гораздо более высокую абсорбцию и другой профиль излучения, поглощаемый на поверхности. Поскольку этот фантом включает в себя диоксид титана и индийские чернила, он оптически непрозрачен, поэтому показана проверка внутренней структуры с помощью микрокомпьютерной томографии.

После освоения этой техники ее можно сделать за два дня, если она выполнена правильно. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как изготавливать оптические фантомы с 3D-печатной структурой. Этот метод фантомного изготовления используется для исследования переноса света в легких мыши для оптимизации систем визуализации бактерий.