Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Macrostructure युक्त ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों के निर्माण और लक्षण वर्णन

Published: February 12, 2018 doi: 10.3791/57031
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1, 1
1Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University, 2Deparment of Molecular Pathogenesis and Immunology, Texas A&M College of Medicine

Summary

ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों अंशांकन और ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणालियों और सैद्धांतिक मॉडल के सत्यापन के लक्षण वर्णन के लिए आवश्यक उपकरण हैं । यह लेख प्रेत निर्माण कि ऊतक ऑप्टिकल संपत्तियों और तीन आयामी ऊतक संरचना की प्रतिकृति शामिल है के लिए एक विधि का विवरण ।

Abstract

नई ऑप्टिकल इमेजिंग तकनीक के तेजी से विकास कम लागत, अनुकूलन, और आसानी से reproducible मानकों की उपलब्धता पर निर्भर है । इमेजिंग पर्यावरण नकल करके, एक तकनीक को मान्य करने के लिए महंगा पशु प्रयोगों दरकिनार किया जा सकता है. भविष्यवाणी और vivo में के प्रदर्शन का अनुकूलन और पूर्व vivo इमेजिंग तकनीक नमूने है कि ऑप्टिकली ब्याज के ऊतकों के समान है पर परीक्षण की आवश्यकता है । ऊतक नकल उतार ऑप्टिकल प्रेतों मूल्यांकन, लक्षण वर्णन, या एक ऑप्टिकल प्रणाली के अंशांकन के लिए एक मानक प्रदान करते हैं । समरूप पॉलिमर ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों व्यापक रूप से एक संकीर्ण वर्णक्रमीय रेंज के भीतर एक विशिष्ट ऊतक प्रकार के ऑप्टिकल गुणों की नकल करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं । एपिडर्मिस और dermis के रूप में स्तरित ऊतकों, बस इन समरूप स्लैब प्रेतों स्टैकिंग द्वारा नकल उतारा जा सकता है । हालांकि, कई vivo इमेजिंग तकनीक में और अधिक स्थानिक जटिल ऊतक जहां तीन आयामी संरचनाओं के लिए लागू कर रहे हैं, जैसे रक्त वाहिकाओं, एयरवेज, या ऊतक दोष, इमेजिंग प्रणाली के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं.

इस प्रोटोकॉल एक ऊतक-नकल उतारने प्रेत है कि तीन आयामी संरचनात्मक जटिलता ऊतक के ऑप्टिकल गुणों के साथ सामग्री का उपयोग शामिल के निर्माण का वर्णन है । लुक अप टेबल ऑप्टिकल अवशोषण और कैटरिंग लक्ष्य के लिए भारत इंक और टाइटेनियम डाइऑक्साइड व्यंजनों प्रदान करते हैं । तरीकों की विशेषताएं और सामग्री ऑप्टिकल संपत्तियों धुन वर्णन कर रहे हैं । इस प्रेत निर्माण इस लेख में विस्तृत एक आंतरिक बंटी नकली airway शूंय है; हालांकि, तकनीक मोटे तौर पर अंय ऊतक या अंग संरचनाओं के लिए लागू किया जा सकता है ।

Introduction

ऊतक प्रेतों प्रणाली लक्षण वर्णन और ऑप्टिकल इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी उपकरणों के अंशांकन के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, multimodality प्रणालियों शामिल अल्ट्रासाउंड या परमाणु मोडलों1,2,3 ,4. प्रेतों प्रणाली लक्षण वर्णन और कई जैविक इमेजिंग तकनीक की गुणवत्ता नियंत्रण के लिए एक नियंत्रित ऑप्टिकल वातावरण प्रदान करते हैं । ऊतक नकल उतारने प्रेतों प्रणाली के प्रदर्शन की भविष्यवाणी और हाथ में शारीरिक कार्य के लिए प्रणाली डिजाइन के अनुकूलन में उपयोगी उपकरण हैं; उदाहरण के लिए, ट्यूमर मार्जिन5का आकलन करने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी की जांच की गहराई का अनुमान लगाने के लिए । ऑप्टिकल गुण और प्रेतों के संरचनात्मक डिजाइन विशिष्ट शारीरिक वातावरण जिसमें साधन इस्तेमाल किया जाएगा नकल करने के लिए देखते हैं, इसलिए दोनों व्यवहार्यता अध्ययन और प्रणाली के प्रदर्शन के सत्यापन के लिए अनुमति दी जा सकती है3, 6,7. पूर्व नैदानिक या नैदानिक परीक्षणों में प्रवेश करने से पहले यथार्थवादी ऑप्टिकल प्रेतों के साथ इमेजिंग प्रणाली के प्रदर्शन का सत्यापन vivo अध्ययनों में के दौरान अनुपयोगी डेटा की खराबी या अधिग्रहण के जोखिम को कम करता है । reproducibility और ऑप्टिकल प्रेतों की स्थिरता उन्हें विशेष रूप से विभिन्न उपकरणों के साथ multicenter नैदानिक परीक्षणों में अंतर और अंतर साधन परिवर्तनशीलता, पर नजर रखने के लिए ऑप्टिकल तकनीक के लिए अनुकूलन अंशांकन मानक बनाते हैं, ऑपरेटरों, और पर्यावरण की स्थिति8,9।

ऊतक नकल करने वाले प्रेत भी सैद्धांतिक ऑप्टिकल मॉडल के सत्यापन के लिए स्वरित्र और reproducible शारीरिक मॉडल के रूप में सेवा करते हैं । सिमुलेशन डिजाइन और vivo में ऑप्टिकल उपकरणों के अनुकूलन में सहायता, जबकि पशु प्रयोगों के लिए की जरूरत को कम करने10,11. विकास और ऑप्टिकल सिमुलेशन के सत्यापन सही vivo में वातावरण का प्रतिनिधित्व करने के लिए ऊतक संरचना की जटिलता से भारग्रस्त जा सकता है, जैव रासायनिक सामग्री, और लक्ष्य या शरीर के भीतर ऊतक के स्थान. विषयों के बीच परिवर्तनशीलता सैद्धांतिक मॉडल पशु या मानव माप का उपयोग कर चुनौतीपूर्ण का सत्यापन करता है । बहुलक ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों एक ज्ञात और reproducible ऑप्टिकल पर्यावरण जिसमें फोटॉन प्रवासन12,13,14,15का अध्ययन करने के लिए आपूर्ति द्वारा सैद्धांतिक मॉडल के सत्यापन के लिए अनुमति देते हैं ।

प्रणाली अंशांकन के प्रयोजन के लिए, ठोस ऑप्टिकल प्रेतों ऑप्टिकल कैटरिंग, अवशोषण, या प्रतिदीप्ति ब्याज की तरंग दैर्ध्य के लिए देखते के साथ ठीक बहुलक की एक एकल सजातीय स्लैब से मिलकर हो सकता है । स्तरित पॉलिमर प्रेतों अक्सर उपकला ऊतक मॉडल16,17में ऊतक ऑप्टिकल संपत्तियों की गहराई विचरण नकल करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं. इन प्रेत संरचनाओं उपकला इमेजिंग और मॉडलिंग के लिए पर्याप्त हैं, क्योंकि ऊतक संरचना एक परत के माध्यम से काफी सजातीय है । हालांकि, बड़े पैमाने पर और अधिक जटिल संरचनाओं अन्य अंगों में radiating परिवहन को प्रभावित करते हैं । अधिक जटिल प्रेतों बनाने के तरीके उपचर्म रक्त वाहिकाओं18,19 और भी पूरे अंगों के ऑप्टिकल वातावरण अनुकरण करने के लिए विकसित किया गया है, इस तरह के मूत्राशय के रूप में20. फेफड़ों में मॉडलिंग प्रकाश परिवहन हवा ऊतक इंटरफेस की शाखाओं में बंटी संरचना के कारण एक अनूठी समस्या प्रदान करता है; एक ठोस प्रेत की संभावना अंग में सही ढंग से radiating परिवहन को दोहराने नहीं होगा21। एक ऑप्टिकल प्रेत में जटिल संरचना को शामिल करने के लिए एक विधि का वर्णन है, हम एक विधि का वर्णन करने के लिए एक आंतरिक, reproducible भग्न वृक्ष शूंय है कि तीन आयामी (3 डी) का प्रतिनिधित्व करता है airway (चित्रा 1) macroscopic संरचना ।

पिछले कुछ दशकों में, 3 डी मुद्रण चिकित्सा उपकरणों और मॉडलों के रैपिड प्रोटोटाइप के लिए एक प्रमुख विधि बन गया है22, और ऑप्टिकल ऊतक प्रेत कोई अपवाद नहीं हैं । 3 डी मुद्रण चैनल23, रक्त वाहिका नेटवर्क24, और पूरे शरीर छोटे जानवर25मॉडल के साथ ऑप्टिकल प्रेतों के निर्माण के लिए एक additive विनिर्माण उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया गया है । इन पद्धतियों अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों के साथ एक या दो मुद्रण सामग्री का उपयोग करें । विधि भी मुद्रण सामग्री के ऑप्टिकल गुण धुन के लिए सामांय, पंकिल जैविक ऊतक25,26की नकल विकसित किया गया है । हालांकि, प्राप्त ऑप्टिकल संपत्तियों की रेंज मुद्रण सामग्री द्वारा सीमित हैं, आमतौर पर एक बहुलक जैसे acrylonitrile ब्यूटाडाइन styrene (ABS)26, तो इस विधि सभी जैविक ऊतकों के लिए उपयुक्त नहीं है । Polydimethylsiloxane (PDMS) एक ऑप्टिकली स्पष्ट बहुलक है कि आसानी से तितर बितर और अवशोषित कणों के साथ tunability27,28के एक उच्च स्तर के साथ मिलाया जा सकता है । PDMS भी embolic उपकरणों29,30की तैनाती के लिए धमनीविस्फार मॉडल के साथ प्रेतों मोल्ड करने के लिए इस्तेमाल किया गया है । इन प्रेतों भी एक dissolvable 3 डी मुद्रित भाग का उपयोग, लेकिन डिवाइस तैनाती visualizing के लिए ऑप्टिकली स्पष्ट रहते हैं । यहां, हम तितर बितर और कणों को अवशोषित करने के लिए ऊतक और murine फेफड़ों के एयरवेज के एक प्रारंभिक मॉडल बनाना के साथ PDMS के ऑप्टिकल गुणों के tunability के साथ इस विधि गठबंधन ।

जबकि प्रेत यहां प्रस्तुत फेफड़ों के लिए विशिष्ट है, इस प्रक्रिया को अंय अंगों की एक किस्म के लिए लागू किया जा सकता है । प्रेत की आंतरिक संरचना के 3 डी मुद्रण डिजाइन किसी भी उद्देश्य और मुद्रण योग्य पैमाने के लिए अनुकूलन योग्य होने की अनुमति देता है, चाहे वह एक रक्त या लसीका पोत नेटवर्क, अस्थि मज्जा, या यहां तक कि दिल31के चार चैंबर्ड संरचना हो । क्योंकि हम ऑप्टिकल इमेजिंग और फेफड़ों की मॉडलिंग में रुचि रखते है३२,३३,३४, हम आंतरिक संरचना के रूप में एक चार पीढ़ी भग्न वृक्ष का उपयोग करने के लिए बहुलक प्रेत के भीतर दोहराने का विकल्प चुना है । यह संरचना अनुमानित airway के शाखाकरण संरचना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था और 3d मुद्रण प्रक्रिया के लिए विराम-अवे समर्थन सामग्री है । यदि विराम-अवे समर्थन सामग्री आवश्यक नहीं है, तो अधिक anatomically सही airway मुद्रित किया जा सकता है । हालांकि इस विशेष मॉडल एक airway का प्रतिनिधित्व करता है, प्रेत की आंतरिक संरचना के लिए एक सामग्री शूंय रहना नहीं है । एक बार आसपास बहुलक ठीक हो जाता है और 3 डी मुद्रित हिस्सा भंग है, आंतरिक संरचना एक प्रवाह मार्ग के रूप में या अपनी अनूठी अवशोषण और बिखरने विशेषताओं के साथ एक सामग्री के लिए एक द्वितीयक मोल्ड के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, यदि इस प्रोटोकॉल से आंतरिक संरचना एक airway के बजाय एक डिजिटल हड्डी के रूप में डिजाइन किया गया था, अस्थि संरचना 3 डी मुद्रित किया जा सकता है, उंगली के ऑप्टिकल गुणों के साथ PDMS के साथ ढाला, और फिर प्रेत से बाहर भंग । शूंय तो अलग ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ एक PDMS मिश्रण से भरा जा सकता है । इसके अतिरिक्त, प्रत्येक मोल्ड एक एकल dissolvable भाग तक ही सीमित नहीं है । उंगली की एक प्रेत हड्डी, नसों, धमनियों, और एक सामांय नरम ऊतक परत, अपनी अनूठी ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ प्रत्येक शामिल करने के लिए बनाया जा सकता है ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. मैट्रिक्स सामग्री संपत्तियों का चयन और सत्यापन

  1. प्रेत निर्माण की प्रक्रिया (चित्रा 1) शुरू करने से पहले, अवशोषण और इमेजिंग तरंग दैर्ध्य (ओं) पर ब्याज की जैविक ऊतक के लिए कम तितर बितर गुणांक खोजने के लिए । प्रारंभिक अनुमान३५,३६संदर्भ में पाया जा सकता है । हालांकि, ऑप्टिकल गुणांक की मांयता आवश्यक हो सकता है ।
  2. अवशोषण गुणांक के लिए लुक-अप तालिकाओं का उपयोग करना, µए, और कम तितर बितर गुणांक, µएस', पर ४८८, ५३५, ६३२, और ७७५ एनएम तरंग दैर्ध्य (टेबल्स 1 – 4 और आंकड़े 2– 3), भारत स्याही की सांद्रता का चयन करें और टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) कि लगभग वांछित ऑप्टिकल संपत्तियों । इन व्यंजनों PDMS के साथ गढ़े प्रेतों के लिए विशिष्ट हैं । के रूप में इन तालिकाओं असतत तरंग दैर्ध्य में प्रयोगात्मक डेटा प्रदान करते हैं, नुस्खा का अनुकूलन विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए आवश्यक हो सकता है ।
  3. ऑप्टिकल संपत्तियों की पुष्टि के लिए चयनित नुस्खा के एक polydimethylsiloxane (PDMS) स्लैब बनाना ।
    1. PDMS राल, TiO2, भारत स्याही, PDMS इलाज एजेंट: एजेंट इलाज करने के लिए PDMS राल के वजन में एक 10:1 अनुपात का उपयोग करना, निंनलिखित क्रम में मिश्रण कप में सामग्री डालना ।
      नोट: यहां, हम दो व्यंजनों का परीक्षण: 1) 2 मिलीग्राम tio2 + ३.५ µ एल भारत इंक प्रति जी PDMS और 2) 1 मिलीग्राम tio2 + 10 µ एल भारत स्याही प्रति जी PDMS । प्रत्येक नुस्खा के लिए, ४.५ जी PDMS राल और ०.४५ जी PDMS इलाज एजेंट ऑप्टिकल कणों की इसी मात्रा के साथ प्रयोग किया जाता है ।
    2. ६० s के लिए एक गति मिक्सर में मिश्रण ( सामग्री की तालिकादेखें). यदि tio2 कणों मिश्रण कप के लिए छड़ी (TiO2के उच्च सांद्रता के साथ संभावित), हाथ से मिश्रण कप के आधार से कणों को दूर करने के लिए, और एक और 30 एस के लिए मिक्सर में मिश्रण ।
    3. मिश्रण की पतली (0.1-1 मिमी) स्लैब बनाने के लिए कुओं या पेट्री व्यंजन में मिश्रण डालो ।
    4. Degas 10 मिनट के लिए स्लैब को एक एयर-टाइट नकारात्मक दबाव कक्ष में रखकर, फिर एक पूर्व-गरम ओवन में ८० ° c पर 30-60 min. ओवन से निकालें और ठंडा होने के लिए रखें ।
    5. इसके कंटेनर से कूल्ड पॉलिमर स्लैब निकालें । बंद किनारों ट्रिम कर दीजिए एक फ्लैट, वर्दी स्लैब छोड़ने के लिए । कैलिपर्स का उपयोग कर स्लैब की मोटाई को मापने ।
  4. माप (टी) और एक एकीकृत क्षेत्र का उपयोग स्लैब (एस) के रिफ्लेक्टर (आर) के उपाय । अतिरिक्त विवरण और निर्देश व्युत्क्रम जोड़-दोहरीकरण (IAD) मैनुअल३७में पाया जा सकता है ।
    1. एकीकृत क्षेत्र सेटअप के प्रकाश स्रोत और स्पेक्ट्रोमीटर चालू करें । एक छोटे, collimated बीम को सुनिश्चित करने के लिए सिस्टम के संरेखण की जांच करें एकीकृत क्षेत्र के प्रवेश और बाहर निकलें बंदरगाहों पर केंद्रित है ।
    2. घालमेल क्षेत्र प्रणाली जांचना ।
      1. स्रोत बंद करें, एकीकृत क्षेत्र के निकास पोर्ट कैप, और रिकॉर्ड तीन डार्क स्पेक्ट्रा ।
      2. स्रोत को वापस बाहर निकलें पोर्ट छाया हुआ और प्रवेश पोर्ट रिक्त के साथ संचार संदर्भ प्राप्त करने के लिए चालू करें । रिकार्ड तीन स्पेक्ट्रा ।
      3. चिंतनशील संदर्भ माप मानक (ओं) का उपयोग कर प्राप्त करें । प्रत्येक मानक क्षेत्र के निकास पोर्ट पर रखें । प्रत्येक चिंतनशील मानक के लिए तीन स्पेक्ट्रा रिकॉर्ड ।
    3. स्लैब के ट्रांसमीटर को मापने । बाहर निकलें बंदरगाह पर टोपी के साथ, संचरण माप के लिए एकीकृत क्षेत्र के प्रवेश बंदरगाह पर स्लैब जगह है । रिकार्ड तीन स्पेक्ट्रा ।
    4. स्लैब के रिफ्लेक्टर के उपाय । बाहर निकलें पोर्ट कैप निकालें और प्रतिबिंबित करता माप के लिए निकास पोर्ट पर स्लैब रखें । रिकार्ड तीन स्पेक्ट्रा ।
  5. IAD सॉफ्टवेयर का उपयोग ऑप्टिकल संपत्तियों का निर्धारण । सॉफ्टवेयर पर एक पूर्ण ट्यूटोरियल सॉफ्टवेयर डाउनलोड के साथ IAD मैनुअल में पाया जा सकता है३७,३८।
    1. प्रत्येक माप के लिए तीन स्पेक्ट्रा अधिग्रहीत औसत ।
    2. IAD मैनुअल३७में समीकरणों का उपयोग करके, इन माप को R और T मानों में कनवर्ट करें । यदि आवश्यक हो, तो स्पेक्ट्रम के साथ नमूना दर को कम करके फाइलों को गाढ़ा करें ।
    3. IAD मैनुअल३७में वर्णित के रूप में तरंग दैर्ध्य, चिंतनशील, संप्रेषण, और नमूना मोटाई के साथ IAD के लिए input. rxt फ़ाइल (पूरक सामग्री 1) तैयार. कमांड प्रॉम्प्ट (Windows os) या टर्मिनल (Mac os) का उपयोग करके, सही पथ पर नेविगेट करें. iad चलाने के लिए "iad इनपुट फ़ाइल नाम" टाइप करें । सॉफ्टवेयर का अनुमान ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ एक उत्पादन पाठ फ़ाइल का उत्पादन होगा ।
  6. यदि ऑप्टिकल गुण एक स्वीकार्य सीमा के भीतर नहीं है (~ वांछित मूल्यों के 15%), तदनुसार नुस्खा संशोधित और कदम दोहराएं 1.3 – 1.5 ।

2. Dissolvable 3डी प्रिंटेड इंटरनल स्ट्रक्चर तैयार करना

  1. डिजाइन आंतरिक संरचना कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर का उपयोग कर । एक 3 डी प्रिंटर पर निर्माण के लिए एक stereolithography फ़ाइल के लिए संरचना ठोस मॉडल कन्वर्ट । यदि उपलब्ध है, एक खंड सीटी स्कैन भी आंतरिक संरचना का एक ठोस मॉडल ड्राइंग के बजाय एक stereolithography फ़ाइल में परिवर्तित किया जा सकता है ।
    नोट: यहां प्रयुक्त भग्न वृक्ष संरचना के लिए सीएडी फ़ाइल पूरक सामग्री 2में प्रदान की जाती है । इस पत्र में प्रयुक्त प्रिंटर एक बाहर निकालना प्रिंटर है, तो भाग के लिए तोड़ दिया है डिजाइन किया गया था दूर समर्थन सामग्री ।
  2. मुद्रण के लिए एक dissolvable सामग्री का चयन करें, जैसे पाली-vinyl शराब (PVA) या उच्च प्रभाव polystyrene (कूल्हों) ( सामग्री की तालिकादेखें) । इस dissolvable सामग्री में ठोस मॉडल मुद्रित करें ।
  3. जब मुद्रित भागों पर्याप्त ठंडा कर रहे हैं, तोड़, भंग, या मशीन का समर्थन सामग्री मुद्रित भाग के बंद । किसी भी बड़ी खामियों से फाइल या रेत ।
  4. वाष्प मुद्रित हिस्सा पॉलिश सतह किसी न किसी को कम करने के लिए ।
    1. मुद्रित भाग के साथ एक उपाध्यक्ष में सुरक्षित, मुद्रित भाग के आधार में एक पतली स्टील या nitinol तार के लिए मंजूरी के साथ छेद के माध्यम से एक ड्रिल ।
    2. एक स्टेनलेस स्टील या छेद के माध्यम से nitinol तार धागा । मोड़ तार के सिरों और एक साथ हुक । इस भाग के लिए पूरी तरह से चोंच के भीतर एसीटोन भाप में डूबे होने की अनुमति होगी । तार सेट और एक तरफ भाग ।
    3. एक बड़े चोंच लगभग 10% एसीटोन से भरा भरें । १०० डिग्री सेल्सियस के लिए हीटिंग जबकि एक गर्म थाली पर चोंच प्लेस । चेतावनी: एसीटोन वाष्प की साँस लेना रोकने के लिए एक धुएं डाकू में इस कदम प्रदर्शन.
    4. जब एसीटोन वाष्प संघनित्र आधे रास्ते के बारे में चोंच की दीवार तक पहुंचता है, एक दूसरे तार पर नकली airway के साथ looped तार लटका और एसीटोन वाष्प में निलंबित के लिए 15 – 30 एस सुनिश्चित मुद्रित भागों चोंच दीवारों या एक दूसरे को छूने नहीं है (यदि भाप चमकाने एक बार में एकाधिक भागों) ।
    5. मुद्रित भाग निकालें और खाली चोंच या कंटेनर पर निलंबित । भाग कम से 4 एच के लिए सूखी चलो ।
  5. आंतरिक संरचना के आयामों की जांच करें सीएडी डिजाइन करने के लिए सहिष्णुता के भीतर हैं, के रूप में की जरूरत है । सटीकता आवश्यकताओं के आधार पर, कैलिपर्स या एक 3 डी लेजर स्कैनर संरचना को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

3. गर्मी प्रतिरोधी मोल्ड का निर्माण

नोट: PDMS प्रेत बनाने के लिए एक लीक प्रूफ, गर्मी प्रतिरोधी मोल्ड तैयार करें । सबसे अच्छा अंतिम प्रेत डिजाइन फिट करने के लिए एक मोल्ड ज्यामिति का चयन करें । यहाँ, एक पुन: प्रयोज्य आयताकार मोल्ड बताया गया है ।

  1. 3d प्रिंट के लिए मोल्ड के एक ठोस मॉडल आधार डिजाइन । इस मोल्ड एक प्रेत के लिए १.१७ सेमी x १.७९ सेमी के आधार के साथ बनाया गया है । मोल्ड के आधार एक 1 मिमी मोटी और 5 मिमी भीतरी आयाम प्रेत के आधार मिलान के साथ गहरा अवकाश है । यह मोल्ड साइडिंग के लिए अनुमति देता है और हटाया जा मोल्ड को जुदा और फिर से इस्तेमाल किया जाएगा ।
  2. ढालना के लिए एक आधार के लिए पर्याप्त चौड़ाई के एक इनसेट के साथ मोल्ड के साइडिंग सुरक्षित प्रिंट ।
  3. मोल्ड बेस के अवकाश में साइडिंग प्लेस । यहां, 1 मिमी मोटी कार्बोनेट शीट मोल्ड साइडिंग के रूप में उपयोग किया जाता है ।
  4. गर्मी प्रतिरोधी टेप का प्रयोग, मोल्ड के किनारों को सील । यह आवश्यक है कि सभी कोनों और किनारों पर्याप्त मोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान किसी भी रिसाव को रोकने के लिए टेप में कोई बुलबुले के साथ बंद कर रहे हैं ।
  5. चरण ३.४ में तैयार मोल्ड के अंदर एक पाली कार्बोनेट बेस प्लेट रखें । इस आधार प्लेट मोल्ड साइडिंग के रूप में एक ही 1 मिमी मोटी चादर का कपड़ा है और प्रेत आधार मोल्ड आधार की 3d मुद्रित सतह के किसी न किसी के बिना एक चिकनी सतह देता है । गोंद पूरी तरह से सूख भाप पॉलिश हिस्सा आधार प्लेट के लिए । गोंद के लिए पर्याप्त समय की अनुमति सूखी ।

4. बहुलक प्रेत का निर्माण

नोट: विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए चरण 1 में निर्धारित बल्क मैट्रिक्स सामग्री के लिए सत्यापित नुस्खा का उपयोग करें. यहां प्रोटोकॉल के लिए कदम प्रदान करता है एक स्वस्थ murine फेफड़े के ऊतक प्रेत ५३५ एनएम के µएस' के साथ ४० सेमी-1 और 2 सेमी-1केएक µ । यह निर्माण की प्रक्रिया में एक संदर्भ के रूप में उपयोग करने के लिए कोई ऑप्टिकल कणों के साथ एक दूसरे प्रेत बनाना उपयोगी हो सकता है ।

  1. एक प्लास्टिक मिश्रण कप में PDMS राल के ९.१ जी डालो । जोड़ें 20 rutile TiO2के मिलीग्राम, भारत स्याही के ३५ µ एल द्वारा पीछा किया । अंत में मिश्रण के शीर्ष करने के लिए इलाज एजेंट के ०.९१ जी जोड़ें । चरण 1.3.2 में मिश्रण प्रोटोकॉल का पालन करें ।
  2. गर्मी प्रतिरोधी मोल्ड में अंतिम बहुलक मिश्रण डालो ।
  3. एक अलग कंटेनर में मिश्रण की एक छोटी राशि डालो सामग्री ऑप्टिकल संपत्तियों की पुष्टि के लिए एक बहुलक स्लैब बनाने के लिए । यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त बहुलक डाला है करने के लिए एक स्लैब है कम से १०० µm मोटाई ।
  4. दोनों नकली airway मोल्ड प्लेस और degassing के लिए एक घंटी जार में अलग स्लैब । वैक्यूम प्रक्रिया शुरू करो । नकली airway मोल्ड में बहुलक वृद्धि करने के लिए शुरू होता है, तो सतह बुलबुले फट करने के लिए बेल जार में वापस हवा, तो फिर से हवा खींचने के लिए शुरू करते हैं । इस प्रक्रिया को दोहराएँ जब तक बहुलक उल्लेखनीयतया वृद्धि नहीं करता है । यह 5-10 मिनट के बीच कितना हवा कदम ४.२ के दौरान फंस गया था के आधार पर ले जाएगा । एक बार PDMS अब नहीं उगता है, एक और 15 मिनट के लिए degas जारी है ।
  5. degassing के बाद धीरे से हवा को चैंबर में वापस जाने दें । दोनों नकली airway प्रेत और बहुलक स्लैब और स्तर ओवन में ८० ° c पर 2 घंटे के लिए जगह निकालें ।
  6. प्रेत और स्लैब ओवन से निकालें और 20 मिनट के लिए शांत होने के लिए ठीक बहुलक काटने के बिना एक स्केलपेल के साथ बहुलक मोल्ड जुदा । आधार प्लेट को मॉक-airway बेस से दूर स्नैप करे ।
  7. एक गर्म (६० डिग्री सेल्सियस) में प्रेत प्लेस ~ ०.५ एम सोडियम हीड्राकसीड (NaOH) बेस स्नान जब तक आंतरिक हिस्सा पूरी तरह से भंग है । एक ऑप्टिकली स्पष्ट संदर्भ प्रेत आंतरिक घटक के लिए भंग समय निर्धारित करने में मदद कर सकते हैं । एक बार आंतरिक संरचना भंग है, प्रेत बाहर स्नान के ले लो और पूरी तरह से शुष्क (~ 24 एच) किसी भी ऑप्टिकल माप लेने से पहले ।

5. प्रेत निर्माण का सत्यापन

  1. उच्च संकल्प चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) या सूक्ष्म गणना टोमोग्राफी (सीटी) इमेजिंग, यदि वांछित का उपयोग कर प्रेत ज्यामिति सत्यापित करें । ये विधियां < 400 µm३९,४०के अक्षीय समाधानों के साथ पंकिल सामग्री के भीतर आंतरिक संरचनाओं का 3d सत्यापन प्रदान करती हैं । वैकल्पिक रूप से, एक ऑप्टिकली स्पष्ट संदर्भ प्रेत ऑप्टिकली सत्यापन कि मुद्रित हिस्सा पूरी तरह से भंग कर दिया है और शेष शूंय सही ज्यामिति है के लिए छवि हो सकता है ।
    नोट: हम माइक्रो एक नॉर्थ स्टार इमेजिंग (NSI) X50 पर सीटी के साथ एक ऑप्टिकली अपारदर्शी प्रेत (2 मिलीग्राम TiO2 + ३.५ µ एल भारत स्याही) के आंतरिक ज्यामिति सत्यापित किया है । प्रेत सभी आयामों में 20 µm संकल्प के साथ छवि थी (पूरक सामग्री 3, 4) ।
  2. प्रेत की बहुलक स्लैब और एकीकरण क्षेत्र का उपयोग कर ऑप्टिकल संपत्तियों की जांच करें (1.5-1.6 चरणों में वर्णित) ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

प्रेत निर्माण तकनीक का प्रदर्शन करने के लिए, माउस फेफड़ों के ऊतकों प्रेतों को ५३५ एनएम (तालिका 5) में उत्पादेड स्वस्थ और सूजन murine फेफड़ों के ऊतकों की ऑप्टिकल संपत्तियों मापा अनुकरण करने के लिए गढ़े थे । इस ब्याज की तरंग दैर्ध्य tdTomato फ्लोरोसेंट रिकॉमबिनेंट रिपोर्टर उपभेदों में आइसोलेटों के पिछले अध्ययन में प्रयुक्त प्रोटीन के लिए उत्तेजना तरंग दैर्ध्य है३३। माउस फेफड़ों के ऊतकों के ऑप्टिकल मापन चरणों में वर्णित एक ही तरीके से प्राप्त किया गया 1.4 – 1.5. पशुओं का उपयोग संस्थागत पशु देखभाल और टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय में उपयोग समिति (IACUC) द्वारा अनुमोदित किया गया था । TiO2 से भारत केे लिए एक उपयुक्त अनुपात ५३५ एनएम तरंग दैर्ध्य प्रकाश (तालिका 5) के लिए दोनों स्वस्थ और सूजन murine फेफड़ों के ऊतकों के लिए पाया गया ।

अलग ऑप्टिकल गुणों के साथ सामग्री के लिए व्यंजनों में दिखाया गया है तालिकाओं 1-4 और रेखांकन में आंकड़े 2–3। अवशोषण और कण एकाग्रता पर बिखरने की निर्भरता चित्रा 4में संक्षेप हैं । अवशोषण में रुझान और कम कैटरिंग गुणांक के साथ प्रेतों के लिए एक निरंतर एकाग्रता की2 (तितर बितर कण) (चित्रा 4ए, 4B) और भारत स्याही की एक निरंतर एकाग्रता (अवशोषित कण ) (चित्रा 4सी, 4d) दोनों कणों के लिए ऑप्टिकल संपत्तियों के संबंध प्रदर्शित करता है । इन ऑप्टिकल संपत्तियों की reproducibility सुनिश्चित करने के लिए, उचित मिश्रण तकनीक का इस्तेमाल किया जाना चाहिए । बसने और TiO2 कणों के रिबन ठीक प्रेत (चित्रा 5) के तितर बितर गुणांक में बदलाव का कारण होगा । भारत स्याही दाग मिश्रण कंटेनर भी अवशोषण गुणांक कम हो जाएगा ।

फेफड़ों प्रेतों आंतरिक शूंय (चित्रा 1सी) के लिए एक भग्न वृक्ष संरचना का उपयोग कर डिजाइन किए गए थे । 3d मुद्रित संरचना को प्रेत (चित्रा 1ई) के अंदर एक चिकनी आंतरिक सतह बनाने के लिए भाप पॉलिश किया जाना चाहिए । चित्रा 6 एक प्रेत है कि degassed या भाप पॉलिश (चित्रा 6ए, सी), और एक प्रेत है कि एक भाप पॉलिश आंतरिक हिस्सा था और degassed था (चित्रा 6बी, 6D) था से बिखरने की तुलना से पता चलता है । प्रेतों एक बाहरी सफेद प्रकाश स्रोत (चित्रा 6ए, घमण्ड) और ५३५ एनएम (चित्रा 6सी, 6D) पर एक आंतरिक microendoscope स्रोत के साथ से रोशनी का उपयोग कर छवि थे । वाष्प चमकाने और degassing irreproducible कैटरर्स की उपस्थिति, सतह किसी न किसी सहित (चित्रा 6सी, इनसेट 2) और बुलबुले (चित्रा 6सी, इनसेट 1) को कम । Degassing विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि हवा बुलबुला स्थान यादृच्छिक और अप्रत्याशित है । इसके अलावा, हवा के बुलबुले एक बार अस्पष्ट कर रहे है TiO2 कणों को शामिल किया ( चित्रा 6में नहीं दिखाया गया है), प्रेत ऑप्टिकली अपारदर्शी बना रहे हैं । इसलिए, अनदेखी बुलबुले ऊतक ऑप्टिकल संपत्तियों की प्रेत सामग्री प्रतिनिधित्व को कमजोर कर सकते हैं ।

भाप पॉलिश 3 डी मुद्रित हिस्सा आधार पर और बाहर की शाखाओं पर कैलिपर्स के साथ मापा गया था, और आयामों तालिका 6में 3 डी ठोस मॉडल की तुलना में हैं । बहुलक प्रेत के निर्माण के बाद, प्रेत एक माइक्रो सीटी इमेजिंग प्रणाली (पूरक सामग्री 3) का उपयोग कर imaged था । 3 डी डेटासेट का प्रयोग, आधार और बाहर की शाखाओं में आंतरिक शूंय के आयामों की तुलना के लिए मापा गया (तालिका 6) । वाष्प पॉलिश पेड़ के आधार पर थोड़ा छोटा है क्योंकि एसीटोन भाप द्वारा सतह की चिकनी प्रवाह प्लास्टिक की सतह का कारण बनता है । आधार द्वारा निलंबित 3 डी मुद्रित भाग के साथ, सतह बाहर की शाखाओं की ओर बहती है, भाग के आयाम में एक छोटा सा परिवर्तन के कारण. सतह चिकनाई के बीच एक व्यापार बंद है और भाग के आकार को बनाए रखने । एक लंबे समय भाप पॉलिश एक चिकनी सतह में परिणाम होगा, लेकिन अधिक सामग्री के लिए प्रवाह का कारण होगा, बदल आयामों में जिसके परिणामस्वरूप ।

प्रेतों एक microendoscope फाइबर बंडल (चित्रा 7) के सम्मिलन के लिए एक पहुँच बंदरगाह के साथ एक vivo में इमेजिंग प्रणाली में imaged थे. microendoscope को प्रेतों के भीतर शून्य में रखा गया था जिसमें से मुद्रित भाग को विलीन कर दिया गया था । microendoscope ५३५ एनएम में आंतरिक रोशनी के लिए इस्तेमाल किया और IVIS रोशनी मार्ग अवरुद्ध हो गया था । microendoscope का प्लेसमेंट चित्रा 7एमें दर्शाया गया है । IVIS संकेत के बाहरी संग्रह के लिए इस्तेमाल किया गया था । छवि वाले प्रेतों के रूप में एक ही आंतरिक संरचना थी चित्रा 3में imaged । समान आंतरिक संरचनाओं और बाहरी आयामों के साथ, स्वस्थ फेफड़े के ऊतकों के बीच ऑप्टिकल गुणों में अंतर (चित्रा 7ए) और संक्रमित फेफड़ों के ऊतकों (चित्रा 7बी) की सतह विकिरण में स्पष्ट है प्रेतों. इन प्रेतों ऑप्टिकल संपत्तियों में परिवर्तन करने के लिए एक उपयुक्त प्रतिक्रिया बनाए रखने के रूप में, प्रेत निर्माण के लिए इस विधि आंतरिक रोशनी अध्ययन में इस्तेमाल किया प्रेतों के लिए लागू किया जा सकता है ।

Figure 1
चित्र 1: ऑप्टिकल ऊतक प्रेत के निर्माण के प्रवाह आरेख । (क) ब्याज के ऊतकों के लक्ष्य ऑप्टिकल संपत्तियों के लिए इष्टतम नुस्खा निर्धारित करते हैं । (ख) नुस्खा सत्यापित करें । (ग) डिजाइन आंतरिक संरचना । (D) dissolvable सामग्री का उपयोग कर आंतरिक संरचना मुद्रित करें । (ङ) भाप पॉलिश मुद्रित भाग चिकनी सतह के लिए । (च) मिश्रण बहुलक और ऑप्टिकल कणों, और गर्मी प्रतिरोधी मोल्ड में डालना । (छ) Degas और ईलाज polydimethylsiloxane (PDMS) । (H) आंतरिक शूंय बनाने के लिए मुद्रित भाग भंग । (I) प्रेत ज्यामिति और ऑप्टिकल संपत्तियों की जांच करें । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: भारत स्याही और TiO के लिए अवशोषण गुणांक में रुझान2 एकाग्रता । अवशोषण गुणांक भारत इंक की एक श्रेणी और टाइटेनियम डाइऑक्साइड सांद्रता के लिए ४८८ एनएम (ए), ५३५ एनएम (बी), ६३० एनएम (सी), और ७७५ एनएम (डी)पर दिखाए जाते हैं । अवशोषण दोनों कणों के लिए कम सांद्रता के लिए कम है, और आम तौर पर प्रत्येक कणों की सांद्रता के साथ बढ़ जाती है । एक पठार ५-७.५ µ एल इंडिया इंक प्रति एमएल PDMS के बीच पहुँचा है. वृद्धि की दर दूसरे कण और तरंग दैर्ध्य की एकाग्रता पर निर्भर करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3: भारत स्याही और TiO2 एकाग्रता के लिए कम बिखरने गुणांक में रुझान । कम कैटरिंग गुणांक भारत इंक की एक श्रेणी और टाइटेनियम डाइऑक्साइड सांद्रता के लिए ४८८ एनएम (ए), ५३५ एनएम (बी), ६३० एनएम (सी), और ७७५ एनएम (डी)पर दिखाए जाते हैं । कम तितर बितर गुणांक दोनों कणों के लिए कम सांद्रता के लिए कम है, और आम तौर पर प्रत्येक की सांद्रता के साथ बढ़ जाती है । अवशोषण की तरह, वृद्धि की दर दूसरे कण और तरंग दैर्ध्य की एकाग्रता पर निर्भर करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 : भारत स्याही और TiO2 एकाग्रता पर ऑप्टिकल संपत्तियों की निर्भरता । अवशोषण गुणांक और कम बिखरने गुणांक के साथ व्यंजनों के लिए दिखाया जाता है एक निरंतर TiO2 एकाग्रता की 1 मिलीग्राम/एमएल PDMS (ए, बी) और लगातार भारत इंक एकाग्रता की 5 µ l/एमएल PDMS (सी, डी)। पैनल (ख) से पता चलता है कि कैटरिंग गुणांक एक निरंतर TiO2 एकाग्रता के साथ बदल जाएगा जब भारत स्याही एकाग्रता विविध है, और पैनल (ग) से पता चलता है कि अवशोषण गुणांक एक निरंतर भारत स्याही एकाग्रता के लिए बदल जाएगा जब TiO2 विविध है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: ऑप्टिकल कैटरिंग पर मिश्रण प्रभाव. अनुचित पॉलिमर और ऑप्टिकल कणों का मिश्रण ऑप्टिकल संपत्तियों में एक बदलाव में परिणाम कर सकते हैं । खराब मिश्रित इस आंकड़े में प्रतिनिधित्व प्रेत TiO2 कणों के इलाज से पहले बसने से पता चला है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्र 6 : कम तितर बितर गुणांक सामग्री के साथ प्रतिनिधि airway प्रेतों सफल और इष्टतम निर्माण वर्णन करने के लिए । भाप चमकाने और degassing एक प्रेत है कि ंयूनतम विलक्षण बिखरने तत्वों है उत्पादन में अभिंन कदम हैं । (A-B) वाष्प चमकाने और degassing के बिना प्रेतों के सफेद प्रकाश छवियों (एक) और भाप चमकाने और degassing (बी) के साथ । (सी-डी) ए-बी से प्रेतों ५३५ एनएम प्रकाश से रोशन कर रहे हैं । से presets (ग) 1 के बिखरने प्रभाव चित्रित करने के लिए दिखाए जाते हैं) हवा के बुलबुले और 2) एक मोटा 3 डी मुद्रित सतह. (ङ) कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) मॉडल प्रेत निर्माण के लिए इस्तेमाल के आधार पर एक ऑप्टिकल सिमुलेशन का प्रतिपादन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्र 7 : आंतरिक रोशनी के साथ प्रेतों की इमेजिंग । प्रेत का एक कंप्यूटर अनुकरण (क) पैनल में प्रेत छवियों के लिए आंतरिक ज्यामिति और स्रोत स्थान (पीला सितारा) के उंमुखीकरण (ग) और (डी)दर्शाता है । स्वस्थ फेफड़े के ऊतक प्रेत की एक विभाजित माइक्रो-सीटी स्कैन (ख) आंतरिक संरचना की पुष्टि करता है ऑप्टिकली अपारदर्शी प्रेत में मौजूद है । नकली airway ५३५ एनएम के एक तरंग दैर्ध्य में ऑप्टिकल प्रेतों की आंतरिक रोशनी के लिए एंडोस्कोप के लिए एक मार्ग के रूप में प्रयोग किया जाता है । दो आंतरिक रोशनी के साथ छवि प्रेतों बाह्य आकार और आंतरिक संरचना में समान हैं, सामग्री ऑप्टिकल स्वस्थ (सी) और सूजन (डी) फेफड़ों के ऊतकों के लिए अनुकूलित गुणों के साथ । सभी छवियां और renderings एक ही पैमाने पर हैं । स्केल बार = 1 सेमी (पैनल सी) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Table 1
तालिका 1: लुक-अप तालिका ४८८ एनएम के लिए ।

Table 2
तालिका 2: लुक-अप तालिका ५३५ एनएम के लिए ।

Table 3
तालिका 3: लुक-अप तालिका ६३२ एनएम के लिए ।

Table 4
तालिका 4:७७५ एनएम के लिए लुक-अप तालिका ।

अवशोषण गुणांक (सेमी-1) कम स्कैटरिंग गुणांक (सेमी-1)
स्वस्थ माउस फेफड़ों के ऊतकों २.०५ ± ०.५८ ५२.६९ ± ७.८३
स्वस्थ प्रेत
(2 मिलीग्राम TiO2 + ३.५ µ एल भारत इंक)		 १.९६ ± ०.६९९ ४९.६६ ± .12
सूजन माउस फेफड़ों के ऊतकों ५.४९ ± १.३२ ३८.९४ ± ९.६८
सूजन प्रेत
(1 मिलीग्राम TiO2 + 10 µ एल भारत इंक)		 ४.३४ ± ०.८७३ ३९.५६ ± ५.०२

तालिका 5: प्रेत व्यंजनों की ऑप्टिकल संपत्तियों मापा ५३५ एनएम में स्वस्थ और सूजन माउस फेफड़े के ऊतकों के मापा ऑप्टिकल गुणों के अनुरूप ।

बेस व्यास (मिमी) बाहर शाखा व्यास (मिमी)
ठोस मॉडल २.७ १.३८
भाप पॉलिश प्रिंट २.५६ ± ०.०२६ १.३८ ± ०.१४१
PDMS मोल्ड (सीटी से मापा) २.५५ ± ०.०२१ १.३९ ± ०.०५५

तालिका 6: प्रेत की आंतरिक संरचना का सत्यापन ।

Supplemental Material 1
पूरक सामग्री 1: उदाहरण IAD इनपुट फ़ाइल. इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Supplemental Material 2
पूरक सामग्री 2: भग्न ट्री airway ठोस मॉडल. इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Supplemental Material 3
पूरक सामग्री 3: माइक्रो-सीटी फ्लाई प्रेत के माध्यम से स्वस्थ माउस फेफड़ों के ऊतकों मॉडलिंग. इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Supplemental Material 4
पूरक सामग्री 4: घूर्णन के वीडियो खंड माइक्रो सीटी स्कैन. इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

हम आंतरिक हवा ऊतक इंटरफेस अनुकरण करने के लिए एक आंतरिक शाखाओं में संरचना के साथ एक murine फेफड़ों का प्रतिनिधित्व करने के लिए ऑप्टिकल प्रेतों बनाने के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया है । murine फेफड़ों के ऊतकों के ऑप्टिकल गुणों ऑप्टिकली तितर बितर और अवशोषित कणों थोक मैट्रिक्स बहुलक के भीतर homogenously वितरित की अनूठी सांद्रता को शामिल करके हासिल कर रहे हैं । इन ऑप्टिकल संपत्तियों विभिंन राज्यों (यानी स्वस्थ बनाम रोगग्रस्त ऊतक) में विभिंन वर्णक्रमीय पर्वतमाला के ऊतकों के भीतर शारीरिक मूल्यों की नकल करने के लिए देखते किया जा सकता है । ऑप्टिकल गुण ब्याज की तरंग दैर्ध्य, आधार सामग्री, और प्रेत के भीतर कणों की सांद्रता पर निर्भर हैं । हालांकि, कई कणों के साथ, बिखरने और अवशोषण के बीच संबंध हमेशा४१सहज ज्ञान युक्त नहीं है. अवशोषण की वृद्धि की दर को तितर बितर कण के रूप में अच्छी तरह से अवशोषित कण की एकाग्रता पर निर्भर है, और इसी तरह कम तितर बितर गुणांक की वृद्धि की दर के लिए । (आंकड़े 2-4) । PDMS प्रेतों को भी 1 वर्ष27,28तक के लिए अपनी ऑप्टिकल संपत्तियों को बनाए रखने के लिए दिखाया गया है । हमने अपने एकीकृत क्षेत्र मापन की त्रुटि के भीतर ऑप्टिकल संपत्तियों की 3-सप्ताह की स्थिरता को मापा है (< 15%) । इन प्रेतों और मानकों के एक हल्के तंग कंटेनर में भंडारण में मदद कर सकते है समय की लंबी अवधि के लिए अपने ऑप्टिकल संपत्तियों की रक्षा ।

भाप चमकाने dissolvable मुद्रित भाग प्रेत (चित्रा 6) के आंतरिक हवा अंतरफलक पर एक reproducible चिकनी सतह के लिए अनुमति देता है । भग्न ज्यामिति के लिए यहां दिखाया गया है, आंतरिक संरचना चमकाने ३७.४ µm से ७.२ µm के लिए औसत सतह के किसी न किसी प्रकार के ढाला PDMS में कमी उपज । यह अत्यंत महत्वपूर्ण है अगर प्रेत एक ऑप्टिकल सिमुलेशन के सत्यापन के लिए प्रयोग किया जाता है क्योंकि एक किसी न किसी सतह को सही एक चिकनी, समान सतह (चित्रा 6ई) से अनुकरण करने के लिए और अधिक कठिन है । Degassing भी तथ्य यह है कि PDMS प्रेत ऑप्टिकल कैटरर्स (चित्रा 6सी, इनसेट 1) के रूप में कार्य के भीतर बुलबुले के कारण बहुत महत्वपूर्ण है । बबल स्थान अनुकरण में दोहराने के लिए पूर्वानुमानित नहीं है, और यदि प्रेत एक अंशांकन मानक के रूप में उपयोग किया जाता है, तो परिणाम तिरछा कर सकता है ।

माइक्रो-सीटी के साथ सत्यापन के बाद, अवशिष्ट सामग्री की एक छोटी राशि airway शूंय के भीतर पाया गया था (पूरक सामग्री 3) । इसके अतिरिक्त, इस एक ही सीटी स्कैन का एक विभाजन शाखाकरण संरचना (पूरक सामग्री 4) के बगल में एक छोटे से हवा बुलबुला पता चलता है. निर्माण के दौरान, ऑप्टिकली स्पष्ट प्रेतों आंतरिक संरचना की सामग्री का एक पूर्ण विघटन और कोई हवा बुलबुले बहुलक मैट्रिक्स के भीतर झुकेंगे । माइक्रो सीटी के साथ सत्यापन से पता चला कि ऑप्टिकली अपारदर्शी प्रेतों में छोटी खामियां हो सकती हैं, अंयथा दिखाई नहीं देती ।

ठीक से खरीदे बहुलक के साथ ऑप्टिकल कणों मिश्रण reproducible और उंमीद के मुताबिक ऑप्टिकल अवशोषण और बिखरने को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है । खराब मिश्रण के कारण कम स्कैटरिंग गुणांक में एक बदलाव चित्रा 5में दिखाया गया है । मोल्ड में बहुलक डालने से पहले, सुनिश्चित करें कि कोई TiO2 कण बसने या "रिबन" मिश्रण में और भारत के कोई सबूत के मिश्रण कंटेनर दाग स्याही का कोई सबूत नहीं है । अनुशंसित क्रम में कणों को जोड़ना इन समस्याओं को कम करना चाहिए ।

इन प्रेतों का डिजाइन 3डी प्रिंटेड पार्ट तक सीमित है । मॉक airway बनाया गया है ताकि सपोर्ट मटीरियल को pried किया जा सके, क्योंकि यह dissolvable नहीं है । यह एक और अधिक उंनत प्रिंटर है कि या तो अलग घुलनशीलता, या एक लेज़र sintering प्रिंटर, कि समर्थन सामग्री की जरूरत नहीं है के साथ सामग्री मुद्रित कर सकते है के लिए ले जाने से दूर किया जा सकता है । यह भी ध्यान दें कि फेफड़ों स्वाभाविक रूप से बाहर एयरवेज और alveoli की वजह से एक बहुत ही असुरक्षित अंग है महत्वपूर्ण है । हालांकि इस प्रेत में प्रतिनिधित्व नहीं है, इसी तरह की संरचनाओं के ऑप्टिकल प्रभाव एक डींग मारने का उपयोग कर मनाया गया है-Nye बुलबुला बेड़ा ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी21, जैतून का तेल४२में हवा के बुलबुले, और शेविंग क्रीम या डिश डिटर्जेंट के लिए नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग४३। reproducible विशेषताओं के साथ बहुलक फोम बनाना ठोस प्रेतों यहां प्रस्तुत और फेफड़े microstructure४४के बीच इस अंतर सामंजस्य करने में सक्षम हो सकता है ।

अंतिम प्रेत के आकार भी आवेदन के आधार पर अनुकूलित किया जा सकता है । आयताकार प्रेत यहां दिखाया आंतरिक रोशनी के साथ छवि और स्वस्थ और संक्रमित फेफड़ों की एक गणना मॉडल के सत्यापन के लिए इस्तेमाल किया गया था (चित्रा 7) । इस डिजाइन को सिर्फ बाहरी बहुलक मोल्ड के डिजाइन को बदलने के द्वारा माउस के बेलनाकार धड़ का प्रतिनिधित्व करने के लिए आगे अद्यतन किया जा सकता है ।

जब तक हम यहां एक murine फेफड़े और airway प्रेत के डिजाइन का विस्तार किया है, इन तरीकों को अंय अंगों या ब्याज के पशुओं के लायक संशोधित किया जा सकता है । आंतरिक संरचना संवहनी प्रेतों के लिए एक प्रवाह मार्ग में परिवर्तित किया जा सकता है, या अद्वितीय ऑप्टिकल संपत्तियों के साथ एक जटिल आंतरिक संरचना के लिए एक डाली के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । प्रेत का समग्र आकार भी आवेदन, पशु, या ब्याज के अंग को देखते जा सकता है । दोनों आंतरिक संरचनाओं और बहुलक molds के 3 डी मुद्रण संरचित बहुलक ऑप्टिकल प्रेतों के डिजाइन की प्रक्रिया को स्वतंत्रता देता है । ये सिमुलेशन सत्यापन और vivo ऑप्टिकल इमेजिंग तकनीक में के अंशांकन में अभिंन उपकरण हैं, क्योंकि वे और अधिक सही सजातीय एकल या बहु परत प्रेतों से vivo में वातावरण का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को नेशनल साइंस फाउंडेशन कैरियर अवार्ड नंबर से सपोर्ट कर रहा था । CBET-१२५४७६७ और राष्ट्रीय एलर्जी और संक्रामक रोगों के संस्थान अनुदान सं. R01 AI104960. हम कृतज्ञता की विशेषता माप और टेक्सास एक और एम हृदय पैथोलॉजी प्रयोगशाला माइक्रो सीटी इमेजिंग के लिए के साथ उनकी सहायता के लिए पैट्रिक ग्रिफिन और दान ट्रॅन स्वीकार करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit Ellsworth Adhesives 184 SIL ELAST KIT 0.5KG Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms
White Rutile Titanium Dioxide powder Atlantic Equipment Engineers TI-602 Scattering particles for optical phantoms
Higgins Fountain Pen India Ink Michaels Craft Stores  10015483 Absorbing particles for optical phantom
Heat Resistant tape Uline S-7595 Heat resistant tape for polymer molds
Fortus 360mc 3D printer Stratasys N/A Able to switch build and support material with this model printer
ABS Ivory Model Material Stratasys SDS-000001 Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure 
SR-30 Soluble Support Stratasys 400638-0001 Base soluble support material for printing internal structure
Flacktek Speedmixer Flacktek Inc. DAC 150.1 FV For efficient mixing of polymer and particles 
Integrating sphere Edmund Optics 58-585 For measuring optical properties
Polycarbonate build plates (1 mm) Stratasys N/A Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Curatolo, A., Kennedy, B. F., Sampson, D. D. Structured three-dimensional optical phantom for optical coherence tomography. Opt Express. 19 (20), 19480-19485 (2011).
  2. Miranda, D. A., Cristiano, K. L., Gutiérrez, J. C. Breast phantom for mammary tissue characterization by near infrared spectroscopy. J Phys Conf Ser. 466 (1), 012018 (2013).
  3. Solomon, M., et al. Multimodal Fluorescence-Mediated Tomography and SPECT/CT for Small-Animal Imaging. J Nucl Med. 54 (4), 639-646 (2013).
  4. Wagnières, G., et al. An optical phantom with tissue-like properties in the visible for use in PDT and fluorescence spectroscopy. Phys Med Biol. 42 (7), 1415-1426 (1997).
  5. Rajaram, N., Reesor, A. F., Mulvey, C. S., Frees, A. E., Ramanujam, N. Non-Invasive, Simultaneous Quantification of Vascular Oxygenation and Glucose Uptake in Tissue. PLoS ONE. 10 (1), 0117132 (2015).
  6. Niedre, M. J., Turner, G. M., Ntziachristos, V. Time-resolved imaging of optical coefficients through murine chest cavities. J Biomed Opt. 11 (6), 064017 (2006).
  7. Schmidt, F. E. W., et al. Multiple-slice imaging of a tissue-equivalent phantom by use of time-resolvedoptical tomography. Appl Opt. 39 (19), 3380-3387 (2000).
  8. Cerussi, A. E., et al. Tissue phantoms in multicenter clinical trials for diffuse optical technologies. Biomed Opt Express. 3 (5), 966-971 (2012).
  9. Marín, N. M., et al. Calibration standards for multicenter clinical trials of fluorescence spectroscopy for in vivo diagnosis. J Biomed Opt. 11 (1), 014010 (2006).
  10. Alexandrakis, G., Rannou, F. R., Chatziioannou, A. F. Tomographic bioluminescence imaging by use of a combined optical-PET (OPET) system: a computer simulation feasibility study. Phys Med Biol. 50 (17), 4225-4241 (2005).
  11. Wan, Q., Beier, H. T., Ibey, B. L., Good, T., Coté, G. L. Optical Diagnostics and Sensing VII. Coté, G. L., Priezzhev, A. V. , SPIE. (2007).
  12. Chen, C., et al. Preparation of a skin equivalent phantom with interior micron-scale vessel structures for optical imaging experiments. Biomed Opt Express. 5 (9), 3140-3149 (2014).
  13. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102 (2006).
  14. Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. J Biomed Opt. 20 (8), 085003 (2015).
  15. Cubeddu, R., Pifferi, A., Taroni, P., Torricelli, A., Valentini, G. A solid tissue phantom for photon migration studies. Phys Med Biol. 42 (10), 1971-1979 (1997).
  16. Bae, Y., Son, T., Park, J., Jung, B. Fabrication of a thin-layer solid optical tissue phantom by a spin-coating method: pilot study. J Biomed Opt. 18 (2), 025006 (2013).
  17. Park, J., et al. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. Nordstrom, R. J., et al. , SPIE. (2013).
  18. Luu, L., Roman, P. A., Mathews, S. A., Ramella-Roman, J. C. Microfluidics based phantoms of superficial vascular network. Biomed Opt Express. 3 (6), 1350-1364 (2012).
  19. Chen, A. I., et al. Multilayered tissue mimicking skin and vessel phantoms with tunable mechanical, optical, and acoustic properties. Med Phys. 43 (6), Part 1 3117-3131 (2016).
  20. Lurie, K. L., Smith, G. T., Khan, S. A., Liao, J. C., Ellerbee, A. K. Three-dimensional, distendable bladder phantom for optical coherence tomography and white light cystoscopy. J Biomed Opt. 19 (3), 036009 (2014).
  21. Golabchi, A., et al. Refractive errors and corrections for OCT images in an inflated lung phantom. Biomed Opt Express. 3 (5), 1101-1109 (2012).
  22. Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol and Surg. 5 (4), 335-341 (2010).
  23. Wang, J., et al. Three-dimensional printing of tissue phantoms for biophotonic imaging. Opt Lett. 39 (10), 3010-3013 (2014).
  24. Ghassemi, P., et al. Evaluation of Mobile Phone Performance for Near-Infrared Fluorescence Imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (7), 1650-1653 (2017).
  25. Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H. R., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Appl Opt. 55 (2), 280-287 (2016).
  26. Diep, P., et al. Three-dimensional printed optical phantoms with customized absorption and scattering properties. Biomed Opt Express. 6 (11), 4212-4220 (2015).
  27. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. Journal of Biomedical Optics. 11 (4), 041102-041116 (2006).
  28. de Bruin, D. M., et al. Optical phantoms of varying geometry based on thin building blocks with controlled optical properties. J Biomed Opt. 15 (2), 025001-025010 (2010).
  29. Boyle, A. J., et al. In vitro performance of a shape memory polymer foam-coated coil embolization device. Med Eng Phys. 49, 56-62 (2017).
  30. Hwang, W., Singhal, P., Miller, M. W., Maitland, D. J. In Vitro Study of Transcatheter Delivery of a Shape Memory Polymer Foam Embolic Device for Treating Cerebral Aneurysms. J Med Dev. 7 (2), 020932 (2013).
  31. Sgaragli, G., Frosini, M. Human Tuberculosis I. Epidemiology, Diagnosis and Pathogenetic Mechanisms. Curr Med Chem. 23 (25), 2836-2873 (2016).
  32. Mufti, N., Kong, Y., Cirillo, J. D., Maitland, K. C. Fiber optic microendoscopy for preclinical study of bacterial infection dynamics. Biomed Opt Express. 2 (5), 1121-1134 (2011).
  33. Nooshabadi, F., et al. Intravital fluorescence excitation in whole-animal optical imaging. PLoS One. 11 (2), 0149932 (2016).
  34. Nooshabadi, F., et al. Intravital excitation increases detection sensitivity for pulmonary tuberculosis by whole-body imaging with beta-lactamase reporter enzyme fluorescence. J Biophotonics. , (2016).
  35. Duck, F. A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. , Academic Press, Inc. (1990).
  36. Tuchin, V. V., Tuchin, V. Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis. 13, SPIE press. Bellingham. (2007).
  37. Prahl, S. Everything I think you should know about Inverse Adding-Doubling. , Oregon Tech. (2011).
  38. Inverse Adding-Doubling v.3-9-12. , (2014).
  39. Link, T. M., et al. A Comparative Study of Trabecular Bone Properties in the Spine and Femur Using High Resolution MRI and CT. J Bone Miner Res. 13 (1), 122-132 (1998).
  40. Batiste, D. L., et al. High-resolution MRI and micro-CT in an ex vivo rabbit anterior cruciate ligament transection model of osteoarthritis. Osteoarthr cartil. 12 (8), 614-626 (2004).
  41. Greening, G. J., et al. Characterization of thin poly(dimethylsiloxane)-based tissue-simulating phantoms with tunable reduced scattering and absorption coefficients at visible and near-infrared wavelengths. J Biomed Opt. 19 (11), 115002 (2014).
  42. Meissner, S., Knels, L., Krueger, A., Koch, T., Koch, E. Simultaneous three-dimensional optical coherence tomography and intravital microscopy for imaging subpleural pulmonary alveoli in isolated rabbit lungs. J Biomed Opt. 14 (5), 054020 (2009).
  43. Morris, A. H., et al. A new nuclear magnetic resonance property of lung. J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).
  44. Hearon, K., et al. Porous Shape Memory Polymers. Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).

Tags

इंजीनियरिंग १३२ अंक ऊतक का अनुकरण प्रेतों ऑप्टिकल इमेजिंग अंशांकन मानक गुणवत्ता आश्वासन कंप्यूटर मॉडल सत्यापन 3 डी मुद्रण
Macrostructure युक्त ऑप्टिकल ऊतक प्रेतों के निर्माण और लक्षण वर्णन
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Durkee, M. S., Nash, L. D.,… More

Durkee, M. S., Nash, L. D., Nooshabadi, F., Cirillo, J. D., Maitland, D. J., Maitland, K. C. Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure. J. Vis. Exp. (132), e57031, doi:10.3791/57031 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter