Summary
Revestimento de spin, impressão polijato e modelagem de deposição fundida são integrados para produzir fantasmas heterogêneos multicamadas que simulam propriedades estruturais e funcionais do tecido biológico.
Abstract
A imagem óptica biomédica está desempenhando um papel importante no diagnóstico e tratamento de várias doenças. No entanto, a precisão e a reprodutibilidade de um dispositivo de imagem óptica são muito afetadas pelas características de desempenho de seus componentes, o ambiente de teste e as operações. Portanto, é necessário calibrar esses dispositivos por padrões fantasma rastreáveis. No entanto, a maioria dos fantasmas atualmente disponíveis são fantasmas homogêneos que não podem simular características multimodais e dinâmicas do tecido biológico. Aqui, mostramos a fabricação de fantasmas heterogêneos simuladores de tecidousando uma linha de produção que integra um módulo de revestimento de rotação, um módulo de polijato, um módulo de modelagem de deposição fundida (FDM) e uma estrutura de controle automático. As informações estruturais e os parâmetros ópticos de um "fantasma óptico digital" são definidos em um arquivo protótipo, importado para a linha de produção, e fabricados camada por camada com alternagem sequencial entre diferentes modalidades de impressão. A capacidade técnica de tal linha de produção é exemplificada pela impressão automática de fantasmas simuladores de pele que compõem a epiderme, derme, tecido subcutâneo e um tumor embutido.
Introduction
A imagem óptica biomédica representa uma família de ferramentas médicas da imagem latente que detectam doenças e anomalias do tecido baseadas em interações claras com tecido biológico. Em comparação com outras modalidades de imagem, como ressonância magnética (RM) e tomografia computadorizada (TC), imagens ópticas biomédicas aproveitam a medição não invasiva de características estruturais, funcionais e moleculares de tecidos usando dispositivos de baixo custo e portáteis1,2,3,4. No entanto, apesar de sua superioridade em custo e portabilidade, a imagem óptica não tem sido amplamente aceita para diagnóstico clínico e orientação terapêutica, em parte devido à sua baixa reprodutibilidade e falta de mapeamento quantitativo entre parâmetros ópticos e biológicos. A principal razão para essa limitação é a falta de padrões rastreáveis para calibração quantitativa e validação de dispositivos de imagem óptica biomédica.
No passado, uma variedade de fantasmas simuladores de tecidos foram desenvolvidas para pesquisa de imagem óptica biomédica em vários tipos de tecidos, como cérebro5,6,7,pele8,9,10,11,12,bexiga13,e tecidos mamários14,15,16,17. Estes fantasmas são produzidos principalmente por um dos seguintes processos de fabricação: 1) revestimento de rotação10,18 (para simular tecido homogêneo e de camadas finas); 2) moldando19 (para simular o tecido volumoso com características geométricas); e 3) impressão tridimensional (3D)20,21,22 (para simular tecido heterogêneo multicamadas). Os fantasmas da pele produzidos por moldagem são capazes de imitar as propriedades ópticas a granel do tecido da pele, mas não podem simular as heterogeneidades ópticas laterais19. Bentz et al. usaram um método de impressão 3D FDM de dois canais para imitar diferentes propriedades ópticas do tecido biológico23. No entanto, o uso de dois materiais não pode simular suficientemente a heterogeneidade óptica do tecido e anisotropia. Lurie et al. criaram um fantasma da bexiga para tomografia óptica de coerência (OCT) e cistoscopia, combinando impressão 3D e revestimento de rotação13. No entanto, características heterogêneas do fantasma, como os vasos sanguíneos, tiveram que ser pintadas à mão.
Entre os processos de fabricação fantasma acima, a impressão 3D oferece a maior flexibilidade para simular as heterogeneidades estruturais e funcionais do tecido biológico. No entanto, muitos tipos de tecidobiológico, como o tecido da pele, consistem em componentes multicamadas e multiescalados que não podem ser efetivamente duplicados por um único processo de impressão 3D. Portanto, a integração de múltiplos processos de fabricação é necessária. Propomos uma linha de produção de impressão 3D que integra vários processos de fabricação para a produção automática de tecido multicamadas e multiescalas simulando fantasmas como um padrão rastreável para imagens ópticas biomédicas (Figura 1). Embora o revestimento de rotação, a impressão polijato e o FDM sejam automatizados em nossa linha de produção de impressão 3D, cada modalidade mantém as mesmas características funcionais dos processos estabelecidos. Portanto, este artigo fornece uma diretriz geral para a produção de fantasmas de simulação de tecido multiescalados, multicamadas e heterogêneos sem a necessidade de integração física de múltiplos processos em um único aparelho.
Figura 1: O diagrama CAD da linha de produção de impressão 3D. (A)A linha de produção de impressão 3D com o escudo superior removido. (B) O esquema do módulo de revestimento de rotação e do módulo de mão mecânica. (C)O esquema do módulo de impressão polijato. (D)O esquema do módulo de impressão FDM (a lâmpada UV pertence ao módulo de impressão polijato). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Protocol
1. Preparar materiais para impressão 3D
NOTA: Nossa linha de produção fantasma óptico usa uma variedade de materiais de impressão para simular as heterogeneidades estruturais e funcionais do tecido biológico. A seleção dos materiais de impressão também depende dos processos de fabricação.
- Preparação material para impressão de revestimento de rotação
- Adicione 100 mg de dióxido de titânio (TiO2)em pó em um copo contendo 100 mL de resina fotopolímera de esteletografia (SLA).
- Mexa a mistura no copo por 30 min em um agitador magnético.
- Selar o copo com papel alumínio e sonicate-lo em uma máquina ultra-sônica por 15 min.
- Aspirar o material por 10 min e carregá-lo na seringa de armazenamento do dispositivo.
- Preparação material para a impressão de polijato
- Adicione 17,56 g de 2-hidroxi-2-metilpropiofenona (1-hidroxiciclohexyl cetona fenil) no copo contendo 80 g de trietileno glicol dimethacrylate para obter 18% (w/ w) material.
- Selar o copo com papel alumínio e sonicate-lo em uma máquina ultra-sônica por 15 min.
- Tire 20 mL da mistura e adicione 5 mg do tinulado rinque vermelho chinês solúvel em óleo. Repita o passo 1.2.2.
- Aspirar todos os materiais, carregar a solução com corantes nos cartuchos para o canal Y (Amarelo) e carregar a solução pura nos cartuchos para o canal K (Black).
- Preparação material para impressão FDM
- Carregue 200 g de cera de gel em cada um dos três copos e, em seguida, aqueça-os a 60 °C em um agitador magnético.
- Adicione 600 mg TiO2 pó no primeiro copo. Adicione 80 mg de pó de grafite no segundo.
- Mexa a cera de gel misturada com TiO2 e cera de gel misturada com pó de grafite em copos diferentes por 30 min no agitador magnético.
- Aspirar os três materiais diferentes para 2 min e carregá-los no extruso do módulo híbrido-três-bico antes da solidificação.
2. Preparar modelos computacionais para impressão 3D multimodal
NOTA: O tecido heterogêneo da pele é simplificado em três camadas: epiderme, derme e tecido subcutâneo. A camada de epiderme é produzida pelo revestimento de rotação usando o material introduzido na etapa 1.1. A camada de derme é produzida pela impressão polijato usando o polímero fotossensível introduzido na etapa 1.2. A camada subcutânea do tecido é produzida por FDM usando o material introduzido na etapa 1.3. Um protótipo de computador auxiliado design (CAD) arquivo de diferentes parâmetros de impressão é gerado para orientar os processos de fabricação acima mencionados.
- Design de um fantasma óptico digital para a pele
- Projete o fantasma da pele com as seguintes três camadas: uma camada de epiderme de 100 μm de espessura, uma camada de derme de 400 μm de espessura e um tecido subcutâneo de 1 cm de espessura.
- Desenhe um modelo de tumor usando um pacote de software de modelagem 3D (por exemplo, Solidworks) (Figura 5A).
- Ajuste do parâmetro para o revestimento da rotação
- Defina os parâmetros de velocidade e duração rotativas no software de controle do dispositivo de impressão. A velocidade de revestimento de rotação de primeiro estágio usada nesta demonstração é de 200 revoluções por min (rpm), o tempo de revestimento de rotação é de 20 s, a velocidade no revestimento de rotação de segunda fase é de 1.000 rpm, e o tempo de revestimento de rotação é de 40 s.
- Defina a quantidade de material de revestimento de rotação como 3 mL e o tempo de cura de luz como 180 s no software de controle.
- Preparação do arquivo de origem para impressão de polijato
- Importe a imagem do vaso sanguíneo para ser impressa no pacote de software AcroRIP Color e defina os parâmetros (posição de impressão e quantidade de jato de tinta) de acordo com a relação entre os parâmetros ópticos dos fantasmas impressos e as propriedades da imagem. Nesta imagem impressa do vaso sanguíneo, o canal K é carregado com um material fotocurável transparente, e o canal Y é carregado com um material fotocurável misturado com tinatriz vermelha chinesa.
- Gerar um arquivo ".prn" com parâmetros definidos para impressão 3D.
- Preparação do código G para impressão FDM
- Desenhe um modelo de frustum com um pacote de software de mapeamento 3D (por exemplo, Solidworks) para simular um tumor.
- Importe o arquivo ".stl" do modelo tumoral em um pacote de software Cura instalado com um script de corte de bico tudo-em-um.
- Corte o modelo para gerar o código G necessário para impressão.
- Carregamento dos documentos para o software de controle de impressão
- Clique no item do menu"Arquivo"na barra do menu, selecione o item do submenu"Import UV Print File"e carregue os arquivos de impressão UV ".prn" introduzidos na etapa 2.3.
- Carregue o código G gerado na etapa 2.4 no software de controle de impressão como na etapa 2.5.1.
- Clique no botão Iniciar a Impressão para iniciar o procedimento automatizado de impressão 3D.
3. Imprimir o componente fantasma da camada da epiderme da pele pelo revestimento da rotação
NOTA: O módulo de revestimento de rotação é composto principalmente de três partes: 1) um coater de rotação; 2) um dispensador de cola; e 3) uma lâmpada UV.
- Mova o substrato na estação de carregamento para o estágio de amostra do coador de rotação com uma mão mecânica. Inicie a bomba de vácuo para corrigir o substrato por adsorção.
- O distribuidor da colagem controla a seringa para gotejar o material introduzido na etapa 2.2.2 no centro da carcaça.
- O coater da rotação começa trabalhar seguindo os parâmetros ajustados da velocidade e do tempo.
- Coloque a lâmpada UV (comprimento de onda: 395 nm) e ligá-lo por 180 s.
- Levante a lâmpada UV, desligue o spin-coater e imprima a camada de epiderme da pele.
4. Imprimir o componente fantasma da camada de derme da pele polijorrando
NOTA: O módulo de impressão polijato consiste em um bico de jato de tinta piezoelétrico, uma plataforma móvel tridimensional, um painel de controle e uma lâmpada UV (lâmpada de mercúrio). O material fotocurável à base de solvente, material de absorção e material de dispersão são usados como matriz. Diferentes parâmetros ópticos são obtidos pulverizando materiais em diferentes proporções em diferentes regiões. Finalmente, o fantasma da camada de derme é impresso e curado camada por camada.
- Mova o substrato para a plataforma móvel 3D e abra a válvula de sucção para adsorb o substrato na plataforma.
- A plataforma móvel 3D mantém o substrato para a posição inicial da impressora UV.
- Empurre a impressora a jato de tinta para a posição de trabalho pelo cilindro, e a impressora a jato de tinta funciona o tempo especificado no arquivo ".prn" enviado pelo computador hospedeiro. Aqui, o sinal de alimentação em papel da impressora a jato de tinta é usado para impulsionar o movimento da plataforma móvel Y-axis.
- A impressora a jato de tinta imprime a camada projetada na etapa 2.5.1 e o cilindro empurra a impressora a jato de tinta de volta à posição original. O eixo Y da plataforma móvel 3D colocada com o substrato é inicializado movendo-se para sua posição inicial.
- O substrato se move 50 mm na direção positiva do eixo Y. A lâmpada UV é empurrada para baixo pelo cilindro (10 milímetros acima do substrato).
- Ligue a lâmpada UV para 180 s de acordo com a configuração de tempo de cura.
- Empurre a lâmpada UV para a posição inicial com o cilindro. O eixo Y da plataforma móvel 3D colocado com o substrato é inicializado e devolvido à sua posição inicial.
- Mova a plataforma móvel 3D colocada com substrato para baixo por 0,1 mm ao longo do eixo Z.
- Repita os passos 4.1-4.8 para imprimir a próxima camada até que a impressão multicamada seja concluída.
5. Imprimir o componente fantasma subcutâneo do tecido por FDM
NOTA: O módulo FDM é composto por um módulo híbrido de três cabeças, um módulo de cabeça única e uma plataforma móvel 3D. A cera de gel, o material absorvente e o material de dispersão são usados como matérias-primas para preparar um fantasma simulando tecido/tumor subcutâneo. A cera do gel é aquecida e derretida no alimentador. Uniformemente agitado pela cabeça de extrusão, é extruso para imprimir os fantasmas finais com os parâmetros ópticos desejados.
- Ligue o poder de aquecimento do módulo do bico e definir a temperatura para 60 °C.
- Mova o bico de mistura para a posição de trabalho, empurrando o cilindro.
- O módulo FDM recebe os comandos de código G enviados pelo computador hospedeiro, e o bico de mistura é aquecido até 68 °C.
- Ligue o motor de agitação e misture bem os materiais.
- Inicialmente, a plataforma móvel 3D e os eixos XYZ passam para a posição inicial.
- O processo de impressão é executado seguindo os comandos do código G. Em um procedimento de impressão camada por camada, os materiais são extrudados em proporção à razão de mistura que determinam os parâmetros ópticos do fantasma em cada camada. A impressão continua até que a porção subcutânea do tecido ou a parcela do tumor esteja imprimida inteiramente.
- Mova o módulo do bocal de mistura à posição inicial empurrando o cilindro.
CUIDADO: Como o pó de grafite tem forte absorção de luz, ele precisa ser misturado da forma mais uniforme possível para evitar alterações nos parâmetros ópticos induzidos pela agregação. O pó TiO2 de tamanho de partículas grande facilmente precipita e afeta a precisão de colocação de material, por isso é necessário misturá-lo totalmente. TiO2 deve ser substituído se armazenado por um longo tempo.
6. Movendo o substrato de volta para a estação de carregamento
- Inicialmente inicialize a plataforma móvel 3D e mova o eixo XYZ para a posição inicial. Mova a plataforma móvel 3D para o local de entrega.
- Mova a mão mecânica para a posição acima do substrato, empurrando o cilindro.
- Pegue o substrato e mova-o sobre a estação de carregamento com a mão mecânica. Coloque o substrato na estação de carregamento e complete a impressão automatizada.
7. Fundindo o componente fantasma subcutâneo da camada do tecido moldando
NOTA: Se o modelo do tumor para o fantasma é projetado, será necessário moldar o fantasma inteiro derramando o polydimethylsiloxane (PDMS) fora do tumor. Passos 7.1-7.3 não são necessários para o módulo FDM para imprimir camada de tecido subcutânea sem um tumor.
- Pressione um substrato com um molde retangular impresso em 3D.
- Despeje PDMS líquido no molde.
- Coloque o substrato em uma incubadora e guarde a 60 °C por 2 h.
- Retire o fantasma do substrato.
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Representative Results
Fantasma fabricado pelo revestimento da rotação
O revestimento da rotação distribui uniformemente as gotículas na carcaça girando a plataforma giratória, e uma única camada do corpo original é fabricada após a cura. A velocidade de rotação do substrato e o tempo de rotação não só afetam a qualidade da superfície do fantasma, mas também determinam a espessura de cada camada do fantasma. Fantasmas de diferentes espessuras podem ser fabricados por revestimento de rotação repetitivo camada por camada. Os parâmetros ópticos dos fantasmas podem ser determinados alterando a proporção de materiais de dispersão e absorção, como descrito em nossa publicação anterior24. Aumentar a concentração de TiO2 na resina fotocurável aumentará o coeficiente de dispersão do fantasma. Considerando que o revestimento de rotação tem uma precisão de 0,01 mm e a epiderme da pele é entre 0,04-1,6 mm de espessura, o processo satisfaz a exigência de simular a epiderme da pele (Figura 2).
Figura 2: Um fantasma de única camada fabricado pelo revestimento de rotação. (A) O material PDMS é adicionado a 50% proporcional tert-butil álcool e spin-revestido em 3.000 rpm para 40 s para formar o fantasma de camada única. A espessura do fantasma é de 10 ± 1 μm medida por OCT. (B) Correlações entre a espessura alcançável do filme PDMS e a velocidade de rotação em diferentes momentos de fiação. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Fantasma fabricado pela impressão de polijato12
Materiais curáveis à luz de diferentes canais são misturados com diferentes partículas ópticas e impressos por jatos de tinta piezoelétricos em um substrato de acordo com o arquivo ".prn". Uma única camada do fantasma é obtida após a cura. A resolução da impressora polijato é de 18 μm x 18 μm x 10 μm (comprimento x largura x altura), a resolução posicional da plataforma móvel é de 1 μm, e o bico suporta quatro tipos diferentes de materiais de impressão. A precisão do avião de impressão é de 50 μm, e a espessura de cada camada é determinada pela quantidade de materiais ejetados. Como a quantidade de ejeção de um único canal é fixada em 60%, a espessura média de cada camada é de 100 ± 10 μm. A camada de derme do tecido da pele é tipicamente entre 0,4-2,4 mm de espessura, e o módulo de impressão a jato de tinta é capaz de alcançar uma resolução de espessura de 100 μm. Os vasos sanguíneos epidérmicos são simulados misturando os materiais de impressão com tine vermelho chinês (Figura 3).
Figura 3: Simulações de vasos sanguíneos impressas pela impressão polijato. ( A) Imagem dos vasossanguíneospara linhas de impressão imitando os vasos sanguíneos. (B) As linhas que imitam os vasos sanguíneos impressos em um papel branco, onde o papel é fixado no substrato da plataforma móvel 3D no processo de impressão. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Fantasma fabricado pela impressão FDM
A cera de gel é misturada com pó de grafite e pó TiO2 e impressa em forma desejada pela impressão FDM. O erro dimensional na direção horizontal do fantasma é inferior a 1%. O comprimento lateral do fantasma excede 20 mm, o recurso minimamente imprimível é de 1 mm, e a faixa imprimível é de 100 mm x 100 mm x 20 mm. Os parâmetros de absorção e dispersão de um fantasma dependem da proporção do TiO2 e do pó de grafite no interior. A Figura 4 apresenta fantasmas de diferentes tamanhos de recursoimpressos pela impressão FDM usando a cera de gel sem TiO2 e pó de grafite. Podemos alterar a proporção de TiO2 para pó de grafite durante a impressão e, assim, fabricar fantasmas de diferentes parâmetros de absorção e dispersão, incluindo gradientes (Figura 4B). A correlação de parâmetros de absorção e dispersão com a proporção de TiO2 para pó de grafite pode ser encontrada nas referências24.
Figura 4: Resultados da impressão FDM. (A) Um modelo cuboide de oito camadas de 40 mm x 40 mm x 0,4 mm com cor gradiente. (B) Fantasma gradiente obtido imprimindo a cera de gel misturada com TiO2 e pó de grafite em uma escala gradual. (C)Modelo CAD em forma multi-canto. (D)Modelo multi-canto impresso. A parte inferior direita da imagem é o resultado medido um microscópio frontal. A característica mínima de impressão do FDM é de 1 mm. (E)Fantasmas cuboideimpressos no módulo FDM. (F)Os resultados medidos indicam que a variação de tamanho é inferior a 1% quando a dimensão lateral está acima de 20 mm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
Fantasma fabricado pela linha de produção de impressão automatizada
Ao integrar os três métodos de impressão acima e seguir o protocolo acima mencionado, o sistema de linha de produção é capaz de produzir um fantasma simulador de tumores. Tomando um modelo simplificado da pele como um exemplo, a camada da epiderme, a camada da derme, e a camada subcutânea do tecido com espessuras diferentes e propriedades óticas são fabricadas pelo revestimento da rotação, pela impressão do polijato, e pela impressão de FDM, respectivamente. Portanto, verificou-se a possibilidade de combinar revestimento de rotação, impressão polijato e impressão FDM para produzir fantasmas ópticos, e o sistema foi capaz de produzir fantasmas ópticos de tecido com as características ópticas e estruturais simuladas (Figura 5, Figura 6).
Figura 5: Fantasmas de pele multicamada fabricados com um tumor embutido. (A) Um diagrama esquemático de uma estrutura multicamadas de um fantasma tumoral, incluindo uma camada revestida de spin, sete camadas impressas em polijato (incluindo três camadas transparentes e três camadas de camadas de vasos sanguíneos, e uma camada comum, e um tumor impresso em FDM). O canto inferior direito da imagem é uma prestação esquemática do fantasma. (B)O fantasma à esquerda tem dois tumores embutidos e o direito tem um tumor embutido. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 6: Fabricação de fantasmas imitadores de pele em várias camadas. (A) Um fantasma de pele multicamadas impresso em uma bolacha de silício consiste em uma camada de revestimento de rotação, uma camada de impressão de polijato e uma camada de impressão FDM de baixo para cima. (B)Vista frontal do fantasma embutido com sulcos de vasos sanguíneos em sua superfície. C) Imagem microscópica de uma seção transversal do fantasma mostrando as diferentes camadas. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Discussion
Na fabricação do fantasma multicamadas, o material usado para revestimento de rotação é uma espécie de material curável em luz em vez de PDMS. A camada intermediária é impressa com o método de impressão polijato, que usa a resina curável como matéria-prima. Embora os fantasmas pdms finos possam ser feitos por revestimento de rotação depois de adicionar álcool tert-butyl, uma camada PDMS não pode efetivamente se ligar ao material curável à luz durante a impressão polijato. Portanto, escolhemos a resina curável para revestimento de rotação.
Atualmente, apenas dois materiais estão disponíveis para impressão polijato. A adição de Pó TiO2 e tinta indiana ao material curável à luz simula as propriedades ópticas da camada de derme, que podem ser adicionadas ao sistema em trabalhos futuros.
Para a impressão FDM, os materiais devem ser completamente misturados antes da extrusão. Portanto, o atraso no processo devido à mistura pode ser maior do que para o processo de impressão FDM tradicional. O movimento do substrato na plataforma móvel 3D também é adiado pelo tempo correspondente durante a impressão. Para imprimir fantasmas com formas complexas, o controle do atraso precisa ser melhorado.
O último passo na fabricação do fantasma simulante de tumor é fundição. Na verdade, no projeto da montagem do bico, um bico adicionado é usado para injetar um quarto material. No entanto, o controle do processo de movimento da plataforma móvel 3D é complicado, e o bico pode destruir o modelo tumoral original. Isso pode ser melhorado redesenhando o programa de controle de movimento.
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Disclosures
Os autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
O trabalho foi apoiado pela National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 e 81327803) e pelos Fundos fundamentais de pesquisa para as Universidades Centrais. Agradecemos Zachary J. Smith da Universidade de Ciência e Tecnologia para fornecer a narração de áudio.
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 |
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