Spin belægning, polyjet print og smeltet deposition modellering er integreret for at producere flerlags heterogene fantomer, der simulerer strukturelle og funktionelle egenskaber af biologisk væv.
Biomedicinsk optisk billeddannelse spiller en vigtig rolle i diagnosticering og behandling af forskellige sygdomme. En optisk Billed enheds nøjagtighed og reproducerbarhed påvirkes imidlertid i høj grad af dets komponenters, prøvnings miljøets og operationens ydeevne egenskaber. Derfor er det nødvendigt at kalibrere disse enheder ved sporbare fantom standarder. Men de fleste af de aktuelt tilgængelige fantomer er homogene fantomer, der ikke kan simulere multimodale og dynamiske egenskaber af biologisk væv. Her viser vi fremstillingen af heterogene vævs simulerende fantomer ved hjælp af en produktionslinje, der integrerer et spin coating-modul, et polyjet-modul, et FDM-modul (sammensmeltet deposition Modeling) og en automatisk kontrolstruktur. De strukturelle oplysninger og de optiske parametre for en “digital optisk fantom” er defineret i en prototype fil, importeret til produktionslinjen, og fabrikeret lag-for-lag med sekventiel Skift mellem forskellige udskrivningsmetoder. Teknisk kapacitet af en sådan produktionslinje er eksemplificeret ved den automatiske trykning af hud-simulerer fantomer, der omfatter epidermis, dermis, subkutane væv, og en indlejret tumor.
Biomedical Optical Imaging repræsenterer en familie af medicinske billedbehandlingsværktøjer, der registrerer sygdomme og vævs anomalier baseret på lette interaktioner med biologisk væv. I sammenligning med andre billedbehandlings metoder, såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og computertomografi (CT), tager biomedicinsk optisk billeddannelse fordelen ved ikke-invasiv måling af vævs strukturelle, funktionelle og molekylære egenskaber ved hjælp af billige og bærbare enheder1,2,3,4. Men på trods af sin overlegenhed i omkostninger og bærbarhed, optisk billeddannelse er ikke blevet bredt accepteret til klinisk diagnose og terapeutisk vejledning, delvist på grund af sin ringe reproducerbarhed og manglende kvantitativ kortlægning mellem optiske og biologiske parametre. Den væsentligste årsag til denne begrænsning er manglen på sporbare standarder for kvantitativ kalibrering og validering af biomedicinske optiske billedbehandlings anordninger.
Tidligere blev en række vævs simulerende fantomer udviklet til biomedicinsk optisk billedbehandlings forskning i forskellige vævstyper, såsom hjernen5,6,7, Skin8,9,10,11,12, blære13og brystvæv14,15,16,17. Disse fantomer produceres primært af en af følgende fabrikationsprocesser: 1) spin belægning10,18 (til simulering af homogen og tyndt lagdelt væv); 2) støbning19 (til simulering af voluminøse væv med geometriske egenskaber); og 3) tredimensionel (3D) udskrivning20,21,22 (til simulering af flerlags heterogene væv). Hudfantomer produceret af støbning er i stand til at efterligne bulk optiske egenskaber af hudvæv, men kan ikke simulere den laterale optiske forskelligartethed19. Bentz et al. brugte en to-kanals FDM 3D print metode til at efterligne forskellige optiske egenskaber af biologisk væv23. Men ved hjælp af to materialer kan ikke i tilstrækkelig grad simulere væv optisk heterogenitet og Anisotropy. Lurie et al. skabte en blære fantom for optisk kohærens tomografi (OCT) og Cystoskopi ved at kombinere 3D-udskrivning og spin coating13. Men heterogene funktioner i Fantomet, såsom blodkar, skulle være håndmalet.
Blandt de ovennævnte fantom fabrikation processer, 3D-udskrivning giver den mest fleksibilitet til simulering af strukturelle og funktionelle forskelligartethed af biologisk væv. Men mange biologiske vævstyper, såsom hudvæv, består af flerlags-og fler skalerede komponenter, der ikke effektivt kan duplikeres af en enkelt 3D-udskrivningsproces. Derfor er det nødvendigt at integrere flere fremstillingsprocesser. Vi foreslår en 3D-print produktionslinje, der integrerer flere fremstillingsprocesser til automatisk produktion af flerlags-og fler skaleret væv, som simulerer fantomer som en sporbar standard for biomedicinsk optisk billeddannelse (figur 1). Selvom spin belægning, polyjet Printing, og FDM er automatiseret i vores 3D-print produktionslinje, bevarer hver modalitet de samme funktionelle egenskaber som de etablerede processer. Derfor indeholder dette papir en generel retningslinje for produktion af fler skalerede, flerlags og heterogene vævs simulerings fantomer uden behov for fysisk integration af flere processer i et enkelt apparat.
Figur 1: CAD-diagrammet i produktionslinjen for 3D-udskrivning. (A) den 3D-udskrivning produktionslinje med den øverste Shell fjernet. (B) skematisk af spin coating-modulet og det mekaniske hånd modul. C) skematisk af polyjet-udskrivnings modulet. D) skematisk af FDM-udskrivnings MODULET (UV-lampen hører til polyjet-udskrivnings modulet). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
I fremstillingen af det flerlagede Phantom er det materiale, der anvendes til spin belægning, en slags let-curable materiale i stedet for PDMS. Det mellemste lag trykkes med polyjet-udskrivningsmetoden, som anvender den letkurerbare harpiks som råmateriale. Selvom tynde PDMS Phantoms kan laves ved spin belægning efter tilsætning af tert-butylalkohol, kan et PDMS lag ikke effektivt binde sig til det letkurerbare materiale under polyjet udskrivning. Derfor valgte vi den let-helbredelig harpiks til spin belægning.
…The authors have nothing to disclose.
Arbejdet blev støttet af Kinas National Natural Science Foundation (Grant nr. 11002139 og 81327803) og de grundlæggende forskningsfonde for de centrale universiteter. Vi takker Zachary J. Smith fra University of Science and Technology for at levere audio VoiceOver.
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 |