Summary
स्पिन कोटिंग, पॉलीजेट प्रिंटिंग, और फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग को बहुस्तरीय विषम प्रेत का उत्पादन करने के लिए एकीकृत किया जाता है जो जैविक ऊतकों के संरचनात्मक और कार्यात्मक गुणों का अनुकरण करते हैं।
Abstract
बायोमेडिकल ऑप्टिकल इमेजिंग विभिन्न बीमारियों के निदान और उपचार में महत्वपूर्ण भूमिका निभा रही है। हालांकि, ऑप्टिकल इमेजिंग डिवाइस की सटीकता और प्रजनन क्षमता इसके घटकों, परीक्षण वातावरण और संचालन की प्रदर्शन विशेषताओं से बहुत प्रभावित होती है। इसलिए, प्रेत मानकों का पता लगाने योग्य द्वारा इन उपकरणों को कैलिब्रेट करना आवश्यक है। हालांकि, वर्तमान में उपलब्ध अधिकांश प्रेत सजातीय प्रेत हैं जो जैविक ऊतकों की बहुआयामी और गतिशील विशेषताओं का अनुकरण नहीं कर सकते हैं। यहां, हम एक स्पिन कोटिंग मॉड्यूल, एक पॉलीजेट मॉड्यूल, एक फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (एफडीएम) मॉड्यूल और एक स्वचालित नियंत्रण ढांचे को एकीकृत करने वाली उत्पादन लाइन का उपयोग करके विषम ऊतक-अनुकरण प्रेत के निर्माण को दिखाते हैं। संरचनात्मक जानकारी और "डिजिटल ऑप्टिकल प्रेत" के ऑप्टिकल मापदंडों को एक प्रोटोटाइप फ़ाइल में परिभाषित किया गया है, जो उत्पादन लाइन पर आयात किया जाता है, और विभिन्न मुद्रण तरीकों के बीच अनुक्रमिक स्विच के साथ मनगढ़ंत परत-दर-परत है। इस तरह की उत्पादन लाइन की तकनीकी क्षमता त्वचा-अनुकरण प्रेत की स्वचालित मुद्रण द्वारा उदाहरण दी जाती है जिसमें एपिडर्मिस, डर्मिस, चमड़े के नीचे ऊतक और एक एम्बेडेड ट्यूमर शामिल है।
Introduction
बायोमेडिकल ऑप्टिकल इमेजिंग चिकित्सा इमेजिंग उपकरणों के एक परिवार का प्रतिनिधित्व करता है जो जैविक ऊतकों के साथ प्रकाश बातचीत के आधार पर बीमारियों और ऊतक विसंगतियों का पता लगाते हैं। चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) और गणना टोमोग्राफी (सीटी) जैसे अन्य इमेजिंग तौर-तरीकों की तुलना में, बायोमेडिकल ऑप्टिकल इमेजिंग कम लागत वाले और पोर्टेबलउपकरणों1,2,3,4का उपयोग करके ऊतक संरचनात्मक, कार्यात्मक और आणविक विशेषताओं के नॉनइनवेसिव माप का लाभ उठाता है। हालांकि, लागत और पोर्टेबिलिटी में अपनी श्रेष्ठता के बावजूद, ऑप्टिकल इमेजिंग को नैदानिक निदान और चिकित्सीय मार्गदर्शन के लिए व्यापक रूप से स्वीकार नहीं किया गया है, आंशिक रूप से इसकी खराब प्रजनन क्षमता और ऑप्टिकल और जैविक मापदंडों के बीच मात्रात्मक मानचित्रण की कमी के कारण। इस सीमा का मुख्य कारण मात्रात्मक अंशांकन और बायोमेडिकल ऑप्टिकल इमेजिंग उपकरणों के सत्यापन के लिए पता लगाने योग्य मानकों की कमी है।
अतीत में, विभिन्न ऊतक प्रकारों में जैव चिकित्सा ऑप्टिकल इमेजिंग अनुसंधान के लिए विभिन्नप्रकार के ऊतक-अनुकरण प्रेत विकसित किए गए थे, जैसे मस्तिष्क5,6,7,त्वचा8,9,10,11,12,मूत्राशय13,और स्तन ऊतक14,15,16,17। ये प्रेत मुख्य रूप से निम्नलिखित निर्माण प्रक्रियाओं में से एक द्वारा उत्पादित होते हैं: 1) स्पिन कोटिंग10,18 (समरूप और पतले स्तरित ऊतकों का अनुकरण करने के लिए); 2)मोल्डिंग 19 (ज्यामितीय सुविधाओं के साथ भारी ऊतक अनुकरण के लिए); और 3) त्रि-आयामी (3 डी) मुद्रण20,21,22 (बहुस्तरीय विषम ऊतकों का अनुकरण करने के लिए)। मोल्डिंग द्वारा उत्पादित त्वचा प्रेत त्वचा ऊतक के थोक ऑप्टिकल गुणों की नकल करने में सक्षम हैं, लेकिन पार्श्व ऑप्टिकलविषमता19अनुकरण नहीं कर सकते । बेंट्ज़ एट अल ने जैविक ऊतक23के विभिन्न ऑप्टिकल गुणों की नकल करने के लिए दो चैनल एफडीडीएम 3 डी प्रिंटिंग विधि का उपयोग किया। हालांकि, दो सामग्रियों का उपयोग करके ऊतक ऑप्टिकल विषमता और एनीसोट्रोपी का पर्याप्त अनुकरण नहीं कर सकता है। लुरी एट अल ने 3डी प्रिंटिंग और स्पिन कोटिंग13के संयोजन से ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी (OCT) और सिस्टोस्कोपी के लिए एक मूत्राशय प्रेत बनाया । हालांकि, प्रेत की विषम विशेषताएं, जैसे रक्त वाहिकाओं, हाथ से चित्रित किया जाना था ।
उपरोक्त प्रेत निर्माण प्रक्रियाओं में, 3 डी प्रिंटिंग जैविक ऊतक की संरचनात्मक और कार्यात्मक विषमताओं का अनुकरण करने के लिए सबसे अधिक लचीलापन प्रदान करता है। हालांकि, त्वचा के ऊतकों जैसे कई जैविक ऊतक प्रकारों में बहुस्तरीय और बहुस्तरीय घटक शामिल हैं जिन्हें एकल 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया द्वारा प्रभावी रूप से डुप्लिकेट नहीं किया जा सकता है। इसलिए, कई विनिर्माण प्रक्रियाओं का एकीकरण आवश्यक है। हम एक 3डी प्रिंटिंग उत्पादन लाइन का प्रस्ताव करते हैं जो बहुस्तरीय और बहुस्तरीय ऊतकों के स्वचालित उत्पादन के लिए कई विनिर्माण प्रक्रियाओं को एकीकृत करता है जो फैंटम को बायोमेडिकल ऑप्टिकल इमेजिंग(चित्रा 1)के लिए एक ट्रेस करने योग्य मानक के रूप में अनुकरण करता है। यद्यपि स्पिन कोटिंग, पॉलीजेट प्रिंटिंग और एफडीएम हमारी 3 डी प्रिंटिंग उत्पादन लाइन में स्वचालित हैं, प्रत्येक तौर-तरीकों में स्थापित प्रक्रियाओं के समान कार्यात्मक विशेषताओं को बरकरार रखा जाता है। इसलिए, यह पेपर एक ही उपकरण में कई प्रक्रियाओं के भौतिक एकीकरण की आवश्यकता के बिना बहुआयामी, बहुस्तरीय और विषम ऊतक-सिमुलेशन प्रेत के उत्पादन के लिए एक सामान्य दिशानिर्देश प्रदान करता है।
चित्र 1: 3 डी प्रिंटिंग उत्पादन लाइन का सीएडी आरेख। (A)शीर्ष खोल के साथ 3 डी प्रिंटिंग उत्पादन लाइन हटा दी गई। (ख)स्पिन कोटिंग मॉड्यूल और मैकेनिकल हैंड मॉड्यूल की योजनाबद्ध । (ग)पॉलीजेट प्रिंटिंग मॉड्यूल की योजनाबद्ध। (D)एफडीएम प्रिंटिंग मॉड्यूल (यूवी लैंप पॉलीजेट प्रिंटिंग मॉड्यूल से संबंधित है) की योजनाबद्ध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3डी प्रिंटिंग के लिए सामग्री तैयार करना
नोट: हमारी ऑप्टिकल प्रेत उत्पादन लाइन जैविक ऊतक की संरचनात्मक और कार्यात्मक विषमताओं का अनुकरण करने के लिए विभिन्न प्रकार की प्रिंटिंग सामग्रियों का उपयोग करती है। मुद्रण सामग्री का चयन भी विनिर्माण प्रक्रियाओं पर निर्भर करता है।
- स्पिन कोटिंग प्रिंटिंग के लिए सामग्री तैयार करना
- स्टीरियोलिथोग्राफी (एसएलए) फोटोपॉलिमर रेसिन के 100 मिलीग्राम युक्त बीकर में 100 मिलीग्राम टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीओ2)पाउडर जोड़ें।
- एक चुंबकीय उभारा पर 30 मेंस के लिए बीकर में मिश्रण हिलाओ।
- टीनेफॉइल के साथ बीकर को सील करें और इसे 15 मिन के लिए अल्ट्रासोनिक मशीन में सोनिकेट करें।
- 10 मिन के लिए सामग्री वैक्यूम और डिवाइस के भंडारण सिरिंज में लोड।
- पॉलीजेट प्रिंटिंग के लिए सामग्री तैयार करना
- 18% (w/w) सामग्री प्राप्त करने के लिए ट्राइथिलीन ग्लाइकोल डाइमेथक्रिलेट के 80 ग्राम वाले बीकर में 2-हाइड्रोक्सी-2-मिथाइलप्रोपीओफेनोन (1-हाइड्रोक्सीसाइक्लोहेक्सिल फिनाइल कीटोन) के 17.56 ग्राम जोड़ें।
- टीनेफॉइल के साथ बीकर को सील करें और इसे 15 मिन के लिए अल्ट्रासोनिक मशीन में सोनिकेट करें।
- मिश्रण के 20 मिलीग्राम बाहर ले लो और इसमें तेल में घुलनशील चीनी लाल रंग की 5 मिलीग्राम जोड़ें। दोहराएं चरण 1.2.2।
- सभी सामग्रियों को वैक्यूम करें, वाई (येलो) चैनल के लिए कारतूस में रंगे के साथ समाधान लोड करें, और कश्मीर (ब्लैक) चैनल के लिए कारतूस में शुद्ध समाधान लोड करें।
- FDM मुद्रण के लिए सामग्री तैयार
- तीन चोंच में से प्रत्येक में 200 ग्राम जेल मोम लोड करें और फिर उन्हें चुंबकीय उभारक पर 60 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें।
- पहले बीकर में 600 मिलीग्राम टीओ2 पाउडर डालें। दूसरे में 80 मिलीग्राम ग्रेफाइट पाउडर डालें।
- चुंबकीय उभारा पर 30 मिन के लिए विभिन्न चोंच में ग्रेफाइट पाउडर के साथ मिश्रित टीआईओ2 और जेल मोम के साथ मिश्रित जेल मोम हिलाओ।
- 2 मिन के लिए तीन अलग-अलग सामग्रियों को वैक्यूम करें और उन्हें ठोसकरण से पहले हाइब्रिड-थ्री-नोजल मॉड्यूल के एक्सट्रूडर में लोड करें।
2. मल्टीमॉडल 3डी प्रिंटिंग के लिए कंप्यूटर मॉडल तैयार करना
नोट: विषम त्वचा ऊतक तीन परतों में सरलीकृत है: एपिडर्मिस, डर्मिस, और चमड़े के नीचे ऊतक। स्टेप 1.1 में पेश की गई सामग्री का उपयोग करके स्पिन कोटिंग द्वारा एपिडर्मिस लेयर का उत्पादन किया जाता है। डेर्मिस लेयर का उत्पादन पॉलीजेट प्रिंटिंग द्वारा चरण 1.2 में पेश किए गए फोटोसेंसिटिव बहुलक का उपयोग करके किया जाता है। कदम 1.3 में पेश की गई सामग्री का उपयोग करके एफडीएम द्वारा चमड़े के नीचे ऊतक परत का उत्पादन किया जाता है। उपरोक्त निर्माण प्रक्रियाओं का मार्गदर्शन करने के लिए विभिन्न प्रिंटिंग पैरामीटरों की एक प्रोटोटाइप कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) फाइल उत्पन्न की जाती है।
- त्वचा के लिए एक डिजिटल ऑप्टिकल प्रेत का डिजाइन
- निम्नलिखित तीन परतों के साथ त्वचा प्रेत डिजाइन करें: 100 माइक्रोन मोटी की एक एपिडर्मिस परत, 400 माइक्रोन मोटी की एक डर्मिस परत, और 1 सेमी मोटी का एक चमड़ा ऊतक।
- 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर पैकेज (जैसे, सॉलिडवर्क्स)(चित्रा 5ए)का उपयोग करके ट्यूमर मॉडल बनाएं।
- स्पिन कोटिंग के लिए पैरामीटर सेटिंग
- प्रिंटिंग डिवाइस के कंट्रोल सॉफ्टवेयर में घूर्णन गति और अवधि के मापदंड निर्धारित करें। इस प्रदर्शन में इस्तेमाल होने वाली पहली चरण की स्पिन कोटिंग स्पीड 200 क्रांतियां प्रति मिन (आरपीएम) है, स्पिन कोटिंग का समय 20 एस है, दूसरे चरण की स्पिन कोटिंग में स्पीड 1,000 आरपीएम है और स्पिन कोटिंग का समय 40 एस है।
- स्पिन कोटिंग सामग्री की मात्रा को 3 mL के रूप में सेट करें और नियंत्रण सॉफ्टवेयर में 180 एस के रूप में प्रकाश-इलाज का समय।
- पॉलीजेट प्रिंटिंग के लिए स्रोत फ़ाइल की तैयारी
- रक्त वाहिका छवि को एक्रोप रंग सॉफ्टवेयर पैकेज में मुद्रित करने के लिए आयात करें और मुद्रित प्रेत और छवि गुणों के ऑप्टिकल मापदंडों के बीच संबंध के अनुसार मापदंडों (मुद्रण स्थिति और इंकजेट राशि) निर्धारित करें। इस मुद्रित रक्त वाहिका चित्र में, कश्मीर चैनल एक पारदर्शी फोटोक्यूरेबल सामग्री से भरा हुआ है, और वाई चैनल चीनी लाल रंग के साथ मिश्रित एक फोटोक्यूरेबल सामग्री से भरा हुआ है।
- 3डी प्रिंटिंग के लिए परिभाषित मापदंडों के साथ ".prn" फ़ाइल जेनरेट करें।
- एफडीडीएम प्रिंटिंग के लिए जी कोड तैयार करना
- ट्यूमर का अनुकरण करने के लिए 3डी मैपिंग सॉफ्टवेयर पैकेज (जैसे, सॉलिडवर्क्स) के साथ एक फ्रुस्टम मॉडल ड्रा करें।
- ट्यूमर मॉडल की ".stl" फ़ाइल को एक कुरा सॉफ्टवेयर पैकेज में आयात करें जो एक ऑल-इन-वन नोजल स्लाइसिंग स्क्रिप्ट के साथ स्थापित है।
- प्रिंटिंग के लिए आवश्यक जी कोड उत्पन्न करने के लिए मॉडल को स्लाइस करें।
- प्रिंटिंग कंट्रोल सॉफ्टवेयर में दस्तावेजों की लोडिंग
- मेनू बार में'फाइल'मेन्यू आइटम पर क्लिक करें,"इम्पोर्ट यूवी प्रिंट फाइल'सबमेन्यू आइटम का चयन करें, और चरण 2.3 में पेश की गई यूवी प्रिंटिंग ".prn" फाइलों को लोड करें।
- चरण 2.5.1 के रूप में प्रिंट नियंत्रण सॉफ्टवेयर में चरण 2.4 में उत्पन्न जी कोड लोड करें।
- स्वचालित 3डी प्रिंटिंग प्रक्रिया शुरू करने के लिए स्टार्ट प्रिंटिंग बटन पर क्लिक करें।
3. स्पिन कोटिंग द्वारा त्वचा एपिडर्मिस लेयर फैंटम घटक मुद्रण
नोट: स्पिन कोटिंग मॉड्यूल मुख्य रूप से तीन भागों में शामिल है: 1) एक स्पिन कोटर; 2) एक गोंद डिस्पेंसर; और 3) एक यूवी लैंप।
- लोडिंग स्टेशन पर सब्सट्रेट को मैकेनिकल हैंड से स्पिन कोटर के सैंपल स्टेज पर ले जाएं। सोखने के द्वारा सब्सट्रेट को ठीक करने के लिए वैक्यूम पंप शुरू करें।
- गोंद डिस्पेंसर सब्सट्रेट के केंद्र में चरण 2.2.2 में पेश की गई सामग्री को ड्रिप करने के लिए सिरिंज को नियंत्रित करता है।
- स्पिन कोटर सेट गति और समय मापदंडों के बाद काम करना शुरू कर देता है।
- यूवी लैंप (तरंगदैर्ध्य: 395 एनएम) नीचे रखो और इसे 180 एस के लिए चालू करें।
- यूवी लैंप उठाएं, स्पिन-कोटर बंद करें, और त्वचा एपिडर्मिस लेयर प्रिंट करें।
4. पॉलीजेटिंग द्वारा त्वचा डर्मिस लेयर प्रेत घटक मुद्रण
नोट: पॉलीजेट प्रिंटिंग मॉड्यूल में एक पीजोइलेक्ट्रिक इंकजेट नोजल, एक त्रि-आयामी मोबाइल प्लेटफॉर्म, एक नियंत्रण कक्ष और एक यूवी लैंप (पारा लैंप) शामिल है। सॉल्व-आधारित फोटोक्यूरेबल सामग्री, अवशोषण सामग्री और बिखरने वाली सामग्री का उपयोग मैट्रिक्स के रूप में किया जाता है। विभिन्न क्षेत्रों में विभिन्न अनुपातों में सामग्री छिड़ककर विभिन्न ऑप्टिकल पैरामीटर प्राप्त किए जाते हैं। अंत में, डर्मिस लेयर प्रेत मुद्रित और ठीक परत-दर-परत है।
- सब्सट्रेट को 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म पर ले जाएं और प्लेटफॉर्म पर सब्सट्रेट को सोखने के लिए सक्शन वाल्व खोलें।
- 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म यूवी प्रिंटर की शुरुआती स्थिति में सब्सट्रेट रखता है।
- इंकजेट प्रिंटर को सिलेंडर द्वारा काम करने की स्थिति में धकेलें, और इंकजेट प्रिंटर मेजबान कंप्यूटर द्वारा भेजी गई ".prn" फ़ाइल में निर्दिष्ट समय काम करता है। यहां इंकजेट प्रिंटर के पेपर फीड सिग्नल का इस्तेमाल वाई-एक्सिस मोबाइल प्लेटफॉर्म की आवाजाही को चलाने के लिए किया जाता है।
- इंकजेट प्रिंटर चरण 2.5.1 में डिज़ाइन की गई परत को प्रिंट करता है और सिलेंडर इंकजेट प्रिंटर को मूल स्थिति में वापस धकेलता है। सब्सट्रेट के साथ रखे गए 3डी मूविंग प्लेटफॉर्म की वाई-एक्सिस को अपनी शुरुआती स्थिति में जाकर शुरू किया जाता है ।
- सब्सट्रेट वाई-एक्सिस की सकारात्मक दिशा में 50 मिमी चलता है। यूवी लैंप सिलेंडर (सब्सट्रेट से 10 मिमी ऊपर) से नीचे धकेल दिया जाता है।
- इलाज के समय सेटिंग के अनुसार 180 एस के लिए यूवी लैंप चालू करें।
- यूवी लैंप को सिलेंडर के साथ शुरुआती स्थिति में धकेल दें। सब्सट्रेट के साथ रखे गए 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म की वाई-एक्सिस को शुरू किया गया है और अपनी शुरुआती स्थिति में लौट आया है।
- जेड-एक्सिस के साथ 0.1 मिमी तक सब्सट्रेट के साथ रखे गए 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म को स्थानांतरित करें।
- मल्टीलेयर प्रिंटिंग पूरी होने तक अगली परत को प्रिंट करने के लिए चरण 4.1-4.8 दोहराएं।
5. FDM द्वारा चमड़े के नीचे ऊतक प्रेत घटक मुद्रण
नोट: FDM मॉड्यूल में हाइब्रिड-थ्री-हेड मॉड्यूल, एक सिंगल-हेड मॉड्यूल और 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म शामिल है। जेल मोम, अवशोषित सामग्री, और बिखरने सामग्री कच्चे माल के रूप में उपयोग करने के लिए एक प्रेत चमड़े के नीचे ऊतक अनुकरण/ फीडर में जेल मोम को गर्म और पिघला या जाता है। समान रूप से निष्कासन सिर से उभारा, यह वांछित ऑप्टिकल मापदंडों के साथ अंतिम प्रेत प्रिंट करने के लिए बाहर निकाला है ।
- नोजल मॉड्यूल की हीटिंग पावर चालू करें और तापमान को 60 डिग्री सेल्सियस तक सेट करें।
- सिलेंडर को धक्का देकर मिक्सिंग नोजल को वर्किंग पोजिशन पर ले जाएं।
- एफडीएम मॉड्यूल को मेजबान कंप्यूटर द्वारा भेजे गए जी कोड कमांड प्राप्त होते हैं, और मिक्सिंग नोजल को 68 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है।
- आंदोलन मोटर चालू करें और सामग्री को अच्छी तरह से मिलाएं।
- 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म को आरंभ करें और XYZ कुल्हाड़ी प्रारंभिक स्थिति में चले जाएं।
- प्रिंटिंग प्रक्रिया को जी कोड कमांड के बाद निष्पादित किया जाता है। एक परत-दर-परत मुद्रण प्रक्रिया में, सामग्रियों को मिश्रण अनुपात के अनुपात में बाहर निकाला जाता है जो प्रत्येक परत में प्रेत के ऑप्टिकल मापदंडों को निर्धारित करता है। प्रिंटिंग तब तक जारी रहती है जब तक कि चमड़े के नीचे ऊतक भाग या ट्यूमर का हिस्सा पूरी तरह से मुद्रित नहीं हो जाता है।
- सिलेंडर को धक्का देकर मिक्सिंग नोजल मॉड्यूल को शुरुआती स्थिति में ले जाएं।
सावधानी: क्योंकि ग्रेफाइट पाउडर में मजबूत प्रकाश अवशोषण होता है, इसे एकत्रीकरण द्वारा प्रेरित ऑप्टिकल मापदंडों में परिवर्तन से बचने के लिए समान रूप से मिश्रित करने की आवश्यकता होती है। बड़े कण आकार का TiO2 पाउडर आसानी से उपजी और सामग्री प्लेसमेंट सटीकता को प्रभावित करता है, तो यह पूरी तरह से इसे मिश्रण करने के लिए आवश्यक है । यदि लंबे समय तक संग्रहीत किया जाता है तो टीओ2 को प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए।
6. सब्सट्रेट को वापस लोडिंग स्टेशन पर ले जाना
- 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म को आरंभ करें और XYZ धुरी को प्रारंभिक स्थिति में ले जाएं। 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म को हैंडओवर लोकेशन पर ले जाएं।
- सिलेंडर को धक्का देकर मैकेनिकल हैंड को सब्सट्रेट से ऊपर की स्थिति में ले जाएं।
- सब्सट्रेट उठाओ और यांत्रिक हाथ से लोडिंग स्टेशन के ऊपर ले जाएं। सब्सट्रेट लोडिंग स्टेशन पर रखें और स्वचालित प्रिंटिंग को पूरा करें।
7. मोल्डिंग द्वारा चमड़े के नीचे ऊतक परत प्रेत घटक कास्टिंग
नोटः अगर फैंटम के लिए ट्यूमर मॉडल तैयार किया गया है तो ट्यूमर के बाहर पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सने (पीडीएम) डालकर पूरे फैंटम को कास्ट करना जरूरी होगा। चरण 7.1-7.3 एफडीडीएम मॉड्यूल के लिए ट्यूमर के बिना चमड़े के नीचे ऊतक परत प्रिंट करने के लिए आवश्यक नहीं हैं।
- 3 डी मुद्रित आयताकार मोल्ड के साथ एक सब्सट्रेट पर दबाएं।
- मोल्ड में तरल पीडीएम डालें।
- सब्सट्रेट को इनक्यूबेटर में रखें और 2 घंटे के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें।
- प्रेत को सब्सट्रेट से निकाल दें।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
स्पिन कोटिंग से निर्मित प्रेत
स्पिन कोटिंग समान रूप से टर्नटेबल घुमाकर सब्सट्रेट पर बूंदों को वितरित करता है, और इलाज के बाद मूल शरीर की एक परत गढ़ी जाती है। सब्सट्रेट की घूर्णन गति और रोटेशन का समय न केवल प्रेत की सतह की गुणवत्ता को प्रभावित करता है, बल्कि प्रेत की प्रत्येक परत की मोटाई भी निर्धारित करता है। विभिन्न मोटाई के प्रेत दोहराव स्पिन कोटिंग परत-दर-परत द्वारा गढ़े जा सकते हैं। प्रेत के ऑप्टिकल मापदंडों को बिखरने और अवशोषण सामग्री के अनुपात को बदलकर निर्धारित किया जा सकता है, जैसा कि हमारे पिछले प्रकाशन24में वर्णित है। फोटोक्यूरेबल रेसिन में टीओ2 एकाग्रता बढ़ाने से प्रेत का बिखराव गुणांक बढ़ेगा। यह देखते हुए कि स्पिन कोटिंग में 0.01 मिमी की सटीकता होती है और त्वचा एपिडर्मिस 0.04-1.6 मिमी मोटी होती है, प्रक्रिया त्वचा एपिडर्मिस(चित्रा 2)का अनुकरण करने की आवश्यकता को संतुष्ट करती है।
चित्रा 2: स्पिन कोटिंग द्वारा निर्मित एक एकल परत प्रेत। (A)पीडीएम सामग्री को एकल परत प्रेत बनाने के लिए 40 एस के लिए 3,000 आरपीएम पर 50% आनुपातिक टेर्ट-ब्यूट अल्कोहल और स्पिन-लेपित में जोड़ा जाता है। प्रेत की मोटाई 10 ± 1 μm के रूप में अक्टूबर द्वारा मापा जाता है(बी)PDMS फिल्म की प्राप्त मोटाई और विभिन्न कताई समय पर स्पिन गति के बीच सहसंबंध । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
पॉलीजेट प्रिंटिंग से निर्मित प्रेत12
विभिन्न चैनलों से प्रकाश-curable सामग्री विभिन्न ऑप्टिकल कणों के साथ मिलाया जाता है और ".prn" फ़ाइल के अनुसार एक सब्सट्रेट पर पीजोइलेक्ट्रिक इंकजेट द्वारा मुद्रित किया जाता है। इलाज के बाद प्रेत की एक परत प्राप्त होती है। पॉलीजेट प्रिंटर का संकल्प 18 माइक्रोन x 18 माइक्रोन x 10 माइक्रोन (लंबाई एक्स चौड़ाई एक्स ऊंचाई) है, मोबाइल प्लेटफॉर्म का स्थितीय संकल्प 1 माइक्रोन है, और नोजल चार विभिन्न प्रकार की प्रिंटिंग सामग्रियों का समर्थन करता है। मुद्रण विमान की सटीकता 50 माइक्रोन है, और प्रत्येक परत की मोटाई बाहर निकाले गए सामग्रियों की मात्रा से निर्धारित होती है। चूंकि एक ही चैनल की रिजेक्शन राशि 60% पर सेट की जाती है, इसलिए प्रत्येक परत की औसत मोटाई 100 ± 10 माइक्रोन है। त्वचा के ऊतकों की त्वचा की त्वचा की परत आमतौर पर 0.4-2.4 मिमी मोटी होती है, और इंकजेट प्रिंटिंग मॉड्यूल 100 माइक्रोन के मोटाई समाधान तक पहुंचने में सक्षम है। एपिडरमल रक्त वाहिकाओं को चीनी लाल रंग(चित्रा 3)के साथ मुद्रण सामग्री को मिलाकर अनुकरण किया जाता है।
चित्रा 3: पॉलीजेट प्रिंटिंग द्वारा मुद्रित रक्त वाहिका सिमुलेशन। (A)रक्त वाहिकाओं की नकल करने वाले लाइनों को मुद्रण के लिए रक्त वाहिका चित्र। (ख)एक श्वेत पत्र पर मुद्रित रक्त वाहिकाओं की नकल करने वाली रेखाएं, जहां मुद्रण प्रक्रिया में 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म के सब्सट्रेट पर पेपर तय किया जाता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
फैंटम FDM मुद्रण द्वारा निर्मित
जेल मोम ग्रेफाइट पाउडर और TiO2 पाउडर के साथ मिलाया जाता है और FDM मुद्रण द्वारा एक वांछित आकार में मुद्रित किया जाता है। प्रेत की क्षैतिज दिशा में आयामी त्रुटि 1% से कम है। प्रेत की पार्श्व लंबाई 20 मिमी से अधिक है, न्यूनतम प्रिंट करने योग्य सुविधा 1 मिमी है, और प्रिंट करने योग्य रेंज 100 मिमी x 100 मिमी x 20 मिमी है। प्रेत का अवशोषण और बिखराव पैरामीटर अंदर के टीओ2 और ग्रेफाइट पाउडर के अनुपात पर निर्भर करते हैं। चित्रा 4 टीओ2 और ग्रेफाइट पाउडर के बिना जेल मोम का उपयोग करके एफडीम प्रिंटिंग द्वारा मुद्रित विभिन्न फीचर आकारों के प्रेत प्रस्तुत करता है। हम प्रिंटिंग के दौरान टीओ2 के अनुपात को ग्रेफाइट पाउडर में बदल सकते हैं, और इस प्रकार विभिन्न अवशोषण और बिखरने वाले मापदंडों के प्रेत बना सकते हैं, जिसमें ढाल(चित्रा 4बी)शामिल हैं। टीओ2 से ग्रेफाइट पाउडर के अनुपात के साथ अवशोषण और बिखरने के मापदंडों का सहसंबंधसंदर्भ 24में पाया जा सकता है ।
चित्रा 4: FDM मुद्रण के परिणाम। (A)ढाल रंग के साथ एक आठ परत 40 मिमी x 40 मिमी x 0.4 मिमी क्यूबॉइड मॉडल। (ख)ग्रेडिएंट प्रेत ने धीरे-धीरे पैमाने पर टीआईओ2 और ग्रेफाइट पाउडर के साथ मिश्रित जेल मोम को प्रिंट करके प्राप्त किया। (ग)मल्टी कॉर्नर आकार में सीएडी मॉडल। (D)मल्टी कॉर्नर मॉडल मुद्रित। तस्वीर के नीचे सही एक सामने देखने माइक्रोस्कोप के तहत मापा परिणाम है । एफडीएम का न्यूनतम प्रिंट फीचर 1 एमएम है।(ई)क्यूबॉइड फैंटम एफडीएम मॉड्यूल में छपा है। (एफ)मापा गया परिणाम बताता है कि पार्श्व आयाम 20 मिमी से ऊपर होने पर आकार में भिन्नता 1% से कम है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
स्वचालित मुद्रण उत्पादन लाइन द्वारा निर्मित प्रेत
उपरोक्त तीन मुद्रण विधियों को एकीकृत करके और उपरोक्त प्रोटोकॉल का पालन करके, उत्पादन लाइन प्रणाली ट्यूमर-अनुकरण प्रेत का उत्पादन करने में सक्षम है। एक उदाहरण के रूप में एक सरलीकृत त्वचा मॉडल लेना, एपिडर्मिस परत, डर्मिस लेयर, और विभिन्न मोटाई और ऑप्टिकल गुणों के साथ चमड़े के नीचे ऊतक परत क्रमशः स्पिन कोटिंग, पॉलीजेट प्रिंटिंग और एफडीएम प्रिंटिंग द्वारा निर्मित हैं। इसलिए, ऑप्टिकल प्रेत का उत्पादन करने के लिए स्पिन कोटिंग, पॉलीजेट प्रिंटिंग और एफडीएम प्रिंटिंग के संयोजन की संभावना सत्यापित की गई थी, और सिस्टम नकली ऑप्टिकल और संरचनात्मक विशेषताओं(चित्रा 5, चित्रा 6)के साथ ऊतक ऑप्टिकल प्रेत का उत्पादन करने में सक्षम था।
चित्रा 5: एक एम्बेडेड ट्यूमर के साथ निर्मित मल्टीलेयर त्वचा प्रेत। (A)ट्यूमर प्रेत की बहुस्तरीय संरचना का एक योजनाबद्ध आरेख, जिसमें एक स्पिन-लेपित परत, सात पॉलीजेट मुद्रित परतें (तीन पारदर्शी परतें और रक्त वाहिका परतों की तीन परतें, और एक आम परत, और एक एफडीएम मुद्रित ट्यूमर) शामिल हैं। चित्र का निचला अधिकार प्रेत का एक योजनाबद्ध प्रतिपादन है। (ख)बाईं ओर प्रेत दो एंबेडेड ट्यूमर है और सही एक एम्बेडेड ट्यूमर है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 6: बहुस्तरीय त्वचा-नकल उतार प्रेत गढ़ना । (A)सिलिकॉन वेफर पर मुद्रित एक बहुस्तरीय त्वचा प्रेत में स्पिन कोटिंग परत, पॉलीजेट प्रिंटिंग लेयर और नीचे से ऊपर तक एक एफडीएम प्रिंटिंग परत होती है। (ख)इसकी सतह पर रक्त वाहिका जैसे खांचे के साथ एम्बेडेड प्रेत का फ्रंट व्यू । (ग)प्रेत के एक क्रॉस-सेक्शन की सूक्ष्म छवि विभिन्न परतों को दिखाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
मल्टीलेयर्ड फैंटम के निर्माण में स्पिन कोटिंग के लिए इस्तेमाल होने वाली सामग्री पीडीएम की जगह एक तरह की हल्की-फुल्की सामग्री है। इंटरमीडिएट परत पॉलीजेट प्रिंटिंग विधि के साथ मुद्रित होती है, जो हल्के-इलाज योग्य रेसिन को कच्चे माल के रूप में उपयोग करती है। हालांकि पतली पीडीएफ फैंटम को टर्न-ब्यूट अल्कोहल जोड़ने के बाद स्पिन कोटिंग द्वारा बनाया जा सकता है, लेकिन पॉलीजेट प्रिंटिंग के दौरान एक पीडीएम परत प्रभावी रूप से प्रकाश-इलाज सामग्री से नहीं बांध सकती है। इसलिए हमने स्पिन कोटिंग के लिए लाइट-क्यूरेबल रेसिन को चुना।
वर्तमान में पॉलीजेट प्रिंटिंग के लिए केवल दो सामग्री उपलब्ध हैं। प्रकाश-कर योग्य सामग्री में टीओ2 पाउडर और भारतीय स्याही के अलावा डर्मिस लेयर के ऑप्टिकल गुणों का अनुकरण करता है, जिसे भविष्य के काम में सिस्टम में जोड़ा जा सकता है।
FDM मुद्रण के लिए, सामग्री को बाहर निकालने से पहले अच्छी तरह से मिलाया जाना चाहिए। इसलिए, मिश्रण के कारण प्रक्रिया में देरी पारंपरिक एफडीडीएम मुद्रण प्रक्रिया की तुलना में अधिक हो सकती है। 3डी मोबाइल प्लेटफॉर्म पर सब्सट्रेट की आवाजाही भी प्रिंटिंग के दौरान इसी समय के लिए देरी से होती है । जटिल आकृतियों के साथ प्रेत प्रिंट करने के लिए, देरी के नियंत्रण में सुधार की जरूरत है ।
ट्यूमर अनुकरण प्रेत के निर्माण में अंतिम कदम कास्टिंग है । वास्तव में, नोजल असेंबली के डिजाइन में, एक जोड़ा नोजल का उपयोग चौथी सामग्री इंजेक्ट करने के लिए किया जाता है। हालांकि, 3 डी मोबाइल प्लेटफॉर्म की आंदोलन प्रक्रिया का नियंत्रण जटिल है, और नोजल मूल ट्यूमर मॉडल को नष्ट कर सकता है। मोशन कंट्रोल प्रोग्राम को रीडिजाइन करके इसमें सुधार किया जा सकता है।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
इस काम को चीन के नेशनल नेचुरल साइंस फाउंडेशन (ग्रांट नग 11002139 और 81327803) और केंद्रीय विश्वविद्यालयों के लिए फंडामेंटल रिसर्च फंड्स ने सपोर्ट किया। हम ऑडियो वॉयसओवर प्रदान करने के लिए विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के जचारी जे स्मिथ का शुक्रिया अदा करते हैं ।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone | aladdin | H110280-500g | Light initiator http://www.aladdin-e.com/ |
| 3D printing control system | USTC | USTC-3DPrinter_control1.0 | custom-made github: https://github.com/macanzhen/ |
| 3D printing system | USTC | USTC-3DPrinter1.0 | custom-made |
| AcroRip color | Human Plus | AcroRip v8.2.6 | |
| All-in-one nozzle slicing script | Shenzhen CBD Technology Co.,Ltd. | github: https://github.com/macanzhen/ |
|
| Chinese Red Dye | Juents | Oil-soluble | |
| Cura | Ultimaker | Cura_15.04.6 | |
| Gel Wax | Shanghai Lida Industry Co.,ltd. | LP | melting point: 56 °C |
| Graphite | aladdin | G103922-100g | Change object optical absorption parameters http://www.aladdin-e.com/ |
| PDMS | Dow Corning | 184 | |
| Titanium dioxide | ALDRICH | 24858-100G | 347 nm |
| Triethylene glycol dimethacrylate | aladdin | T101642-250ml | Photocured monomer http://www.aladdin-e.com/ |
| UV ink SLA Photopolymer Resin | time80s | RESIN-A | http://www.time80s.com/zlxz |
References
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- Wang, K., et al. Development of a non-uniform discrete Fourier transform based high speed spectral domain optical coherence tomography system. Optics Express. 17 (14), 12121-12131 (2009).
- Zhao, H., Gao, F., Tanikawa, Y., Homma, K., Yamada, Y. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue. Applied Optics. 44 (10), 1905-1916 (2005).
- Ding, Z., Ren, H., Zhao, Y., Nelson, J. S., Chen, Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 27 (4), 243-245 (2002).
- Iida, H., et al. Three-dimensional brain phantom containing bone and grey matter structures with a realistic head contour. Annals of Nuclear Medicine. 27 (1), 25-36 (2013).
- Mobashsher, A. T., Abbosh, A. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 13, 1401-1404 (2014).
- Li, J. B., et al. A new head phantom with realistic shape and spatially varying skull resistivity distribution. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 61 (2), 254-263 (2013).
- Bykov, A., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Life Sciences. (International Society for Optics and Photonics). , 73760 (2011).
- Bykov, A. V., Popov, A. P., Priezzhev, A. V., Myllylä, R. Skin phantoms with realistic vessel structure for OCT measurements in Laser Applications. European Conference on Biomedical Optics. , Optical Society of America. 80911 (2010).
- Park, J., et al. Fabrication of double layer optical tissue phantom by spin coating method: mimicking epidermal and dermal layer. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue V. , International Society for Optics and Photonics. 85830 (2013).
- Wróbel, M. S., et al. Use of optical skin phantoms for preclinical evaluation of laser efficiency for skin lesion therapy. Journal of Biomedical Optics. 20 (8), 085003 (2015).
- Sheng, S., Wu, Q., Han, Y., Dong, E., Xu, R. Fabricating optical phantoms to simulate skin tissue properties and microvasculature. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue Vii. , International Society for Optics and Photonics. 932507 (2015).
- 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. Journal of Biomedical Optics. 19 (3), 36009 (2014).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- Ansari, M. A., Mohajerani, E. Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 125 (20), 5978-5981 (2014).
- Roman, M., Gonzalez, J., Carrasquilla, J., Erickson, S. J., Godavarty, A. A Gen-2 Hand-Held Optical Imager: Phantom and Preliminary in-vivo Breast Imaging Studies. 29th Southern Biomedical Engineering Conference. , 103-104 (2013).
- Michaelsen, K. E., et al. Anthropomorphic breast phantoms with physiological water, lipid, and hemoglobin content for near-infrared spectral tomography. Journal of Biomedical Optics. 19 (2), 026012 (2014).
- Park, J., et al. Optical tissue phantoms based on spin coating method. Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue VII. , International Society for Optics and Photonics. 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- Luciano, N. J., et al. Utilizing 3D printing technology to merge MRI with histology: A protocol for brain sectioning. Journal of Visualized Experiments. (118), e54780 (2016).
- Dong, E., et al. Three-dimensional fuse deposition modeling of tissue-simulating phantom for biomedical optical imaging. Journal of Biomedical Optics. 20 (12), 121311 (2015).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- Bentz, B. Z., Chavan, A. V., Lin, D., Tsai, E. H., Webb, K. J. Fabrication and application of heterogeneous printed mouse phantoms for whole animal optical imaging. Applied Optics. 55 (2), 280-287 (2016).
- Liu, G., et al. Fabrication of a multilayer tissue-mimicking phantom with tunable optical properties to simulate vascular oxygenation and perfusion for optical imaging technology. Applied Optics. 57 (23), 6772-6780 (2018).
