Author Produced

الطباعة المتعددة الوسائط 3D من الأشباح لمحاكاة الانسجه البيولوجية

* These authors contributed equally
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

يتم دمج الطلاء الدوار والطباعة متعددة الطائرات ونمذجة الترسبات المنصهرة لإنتاج الأشباح غير المتجانسة متعددة الطبقات التي تحاكي الخصائص الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Ma, C., Shen, S., Liu, G., Guo, S., Guo, B., Li, J., Huang, K., Zheng, Y., Shao, P., Dong, E., Chu, J., Xu, R. X. Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue. J. Vis. Exp. (155), e60563, doi:10.3791/60563 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

يلعب التصوير البصري الطبي الحيوي دورا هاما في تشخيص وعلاج الامراض المختلفة. ومع ذلك ، تتاثر دقه واستنساخ جهاز التصوير البصري بشكل كبير بخصائص أداء مكوناته ، وبيئة الاختبار ، والعمليات. ولذلك ، فمن الضروري معايره هذه الاجهزه عن طريق معايير الوهمية يمكن تتبعها. ومع ذلك ، فان معظم الأشباح المتاحة حاليا هي أشباح متجانسة لا يمكنها محاكاة الخصائص المتعددة الوسائط والديناميكية للانسجه البيولوجية. هنا ، ونحن نظهر تلفيق الانسجه غير المتجانسة محاكاة الأشباح باستخدام خط الإنتاج دمج وحده الطلاء تدور ، وحده متعددة الطائرات ، والنمذجة ترسب تنصهر (FDM) وحده ، واطار التحكم الألى. يتم تعريف المعلومات الهيكلية والمعلمات البصرية ل "فانتوم بصريه رقميه" في ملف النموذج الاولي ، والمستوردة إلى خط الإنتاج ، وملفقه طبقه تلو الأخرى مع التبديل متسلسلة بين طرائق الطباعة المختلفة. وتتمثل القدرة التقنية لخط الإنتاج هذا من خلال الطباعة التلقائية للأشباح التي تحاكي البشرة والتي تشكل البشرة والادمه والانسجه تحت الجلد والورم المدمج.

Introduction

تمثل التصوير البصري الطبي الحيوي عائله من أدوات التصوير الدوائي التي تكتشف الامراض وتشوات الانسجه استنادا إلى التفاعلات الخفيفة مع الانسجه البيولوجية. بالمقارنة مع طرائق التصوير الأخرى ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، تاخذ الصور البصرية الطبية الحيوية ميزه قياس الانسجه الهيكلية والوظيفية والجزيئية باستخدام الاجهزه المحمولة ذات التكلفة المنخفضة1،2،3،4. ومع ذلك ، علي الرغم من تفوقها في التكلفة وقابليه ، والتصوير البصري لم يكن مقبولا علي نطاق واسع للتشخيص السريري والتوجيه العلاجي ، ويرجع ذلك جزئيا إلى استنساخه الفقراء وعدم وجود الخرائط الكمية بين المعلمات البصرية والبيولوجية. والسبب الرئيسي لهذا التقييد هو عدم وجود معايير يمكن تتبعها للمعايرة الكمية والتحقق من صحة أجهزه التصوير البصري الحيوية.

في الماضي ، تم تطوير مجموعه متنوعة من الأشباح محاكاة الانسجه للبحوث التصوير الطبي الحيوي البصرية في أنواع مختلفه من الانسجه ، مثل الدماغ5،6،7، الجلد8،9،10،11،12، المثانة13، وانسجه الثدي14،15،16،17. وتنتج هذه الأشباح في المقام الأول من قبل واحده من عمليات التصنيع التالية: 1) تدور طلاء10،18 (لمحاكاة متجانسة ورقيقه الطبقات الانسجه) ؛ 2) صب19 (لمحاكاة الانسجه الضخمة مع ميزات هندسية) ؛ و 3) الطباعة ثلاثية الابعاد (3d)20،21،22 (لمحاكاة الانسجه متعددة الطبقات غير المتجانسة). الأشباح الجلد التي تنتجها صب هي قادره علي تقليد الخصائص البصرية السائبة من انسجه الجلد ولكن لا يمكن محاكاة تغاير البصرية الجانبية19. تستخدم bentz وآخرون طريقه الطباعة 3D FDM ثنائيه القناة لتقليد الخصائص البصرية المختلفة للانسجه البيولوجية23. ومع ذلك ، باستخدام اثنين من المواد لا يمكن محاكاة بما فيه الكفاية الانسجه البصرية تغاير والمتباين. إنشات لوري وآخرون شبح المثانة لتصوير التصوير المقطعي للاتساق البصري (OCT) وتنظير المثانة من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الابعاد والطلاء الدوار13. ومع ذلك ، كانت ملامح غير متجانسة من الوهمية ، مثل الاوعيه الدموية ، يجب ان تكون مرسومه باليد.

من بين عمليات التصنيع الوهمية المذكورة أعلاه ، توفر الطباعة ثلاثية الابعاد المرونة الأكثر لمحاكاة التغاير الهيكلية والوظيفية للانسجه البيولوجية. ومع ذلك ، فان العديد من أنواع الانسجه البيولوجية ، مثل انسجه الجلد ، تتكون من مكونات متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم لا يمكن تكرارها بشكل فعال من خلال عمليه طباعه ثلاثية الابعاد واحده. ولذلك ، فان تكامل عمليات التصنيع المتعددة أمر ضروري. نقترح خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد يدمج عمليات التصنيع المتعددة للإنتاج التلقائي للانسجه متعددة الطبقات ومتعددة التحجيم تحاكي الأشباح كمعيار يمكن تتبعه للتصوير البصري الطبي الحيوي (الشكل 1). علي الرغم من ان الطلاء الدوار ، والطباعة متعددة الطائرات ، و FDM مؤتمتة في خط إنتاج الطباعة ثلاثي الابعاد ، يحتفظ كل أسلوب بنفس الخصائص الوظيفية للعمليات المعمول بها. ولذلك ، توفر هذه الورقة مبادئ توجيهيه عامه لإنتاج الأشباح متعددة التحجيم ، متعددة الطبقات ، وغير متجانسة محاكاة الانسجه دون الحاجة إلى التكامل المادي لعمليات متعددة في جهاز واحد.

Figure 1
الشكل 1: مخطط CAD لخط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد. (ا) أزاله خط إنتاج الطباعة ثلاثية الابعاد مع الغطاء العلوي. (ب) التخطيطي لوحده الطلاء الدوار ووحده اليد الميكانيكية. (ج) المخطط التخطيطي لوحده الطباعة متعددة الطائرات. (د) التخطيطي لوحده الطباعة fdm (مصباح الاشعه فوق البنفسجية ينتمي إلى وحده الطباعة متعددة الطائرات). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. اعداد المواد للطباعة 3D

ملاحظه: لدينا خط إنتاج الوهمية البصرية يستخدم مجموعه متنوعة من مواد الطباعة لمحاكاة تغاير الهيكلية والوظيفية من الانسجه البيولوجية. اختيار مواد الطباعة يعتمد أيضا علي عمليات التصنيع.

  1. اعداد المواد للطباعة الطلاء تدور
    1. أضافه 100 ملغ من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) مسحوق في كوب يحتوي علي 100 مل من المجسمة (SLA) الراتنج فوتوبوليمير.
    2. يحرك الخليط في الكاس لمده 30 دقيقه علي الركاب المغناطيسي.
    3. ختم الكاس مع البربون ويصوتون في اله الموجات فوق الصوتية لمده 15 دقيقه.
    4. فراغ المواد لمده 10 دقيقه وتحميله في حقنه التخزين من الجهاز.
  2. اعداد المواد للطباعة متعددة الطائرات
    1. أضافه 17.56 g من 2-هيدروكسي-2-ميثيلبروبيوفينوني (1-هيدروكسي سيكلوهيكسيل فينيل كيتون) في الكاس التي تحتوي علي 80 g من الإيثيلين جلايكول ثنائي الميثيكليت للحصول علي 18 ٪ (w/w) المواد.
    2. ختم الكاس مع البربون ويصوتون في اله الموجات فوق الصوتية لمده 15 دقيقه.
    3. اخرج 20 مل من الخليط وأضف 5 ملغ من الصبغة الحمراء الصينية القابلة للذوبان في الزيت. كرر الخطوة 1-2-2.
    4. تفريغ جميع المواد ، وتحميل الحل مع صبغ في خراطيش للقناه Y (الصفراء) ، وتحميل الحل النقي في خراطيش لقناه K (اسود).
  3. اعداد المواد للطباعة FDM
    1. تحميل 200 غرام من الشمع هلام في كل من ثلاثه أكواب ومن ثم تسخينها إلى 60 درجه مئوية علي الركاب المغناطيسي.
    2. أضافه 600 ملغ تيو2 مسحوق في الكاس الأول. أضافه 80 ملغ من مسحوق الجرافيت في الثانية.
    3. يحرك الشمع هلام مختلطة مع تيو2 والشمع هلام مختلطة مع مسحوق الجرافيت في أكواب مختلفه لمده 30 دقيقه علي الركاب المغناطيسي.
    4. فراغ المواد الثلاثة المختلفة لمده 2 دقيقه وتحميلها في الطارد من الهجين-ثلاثه فوهه وحده قبل التصلب.

2. اعداد نماذج الكمبيوتر للطباعة متعددة الابعاد 3D

ملاحظه: يتم تبسيط انسجه الجلد غير المتجانسة إلى ثلاث طبقات: البشرة ، الادمه ، والانسجه تحت الجلد. يتم إنتاج طبقه البشرة عن طريق طلاء الغزل باستخدام المواد المقدمة في الخطوة 1.1. يتم إنتاج طبقه الادمه بواسطة الطباعة polyjet باستخدام البوليمر للضوء المقدمة في الخطوة 1.2. يتم إنتاج طبقه الانسجه تحت الجلد من قبل FDM باستخدام المواد المقدمة في الخطوة 1.3. يتم إنشاء نموذج اولي لتصميم بمساعده الكمبيوتر (CAD) من معلمات الطباعة المختلفة لتوجيه عمليات التصنيع المذكورة أعلاه.

  1. تصميم الوهمية البصرية الرقمية للبشرة
    1. تصميم الجلد الوهمية مع الطبقات الثلاث التالية: طبقه البشرة من 100 μm سميكه ، طبقه الادمه من 400 μm سميكه ، والانسجه تحت الجلد من 1 سم سميكه.
    2. رسم نموذج الورم باستخدام حزمه برامج النمذجة 3D (علي سبيل المثال ، سوليدووركس) (الشكل 5ا).
  2. اعداد المعلمة لطلاء الدوران
    1. تعيين المعلمات من سرعه الدوران والمدة في برنامج التحكم من جهاز الطباعة. المرحلة الاولي تدور سرعه الطلاء المستخدمة في هذه المظاهرة هو 200 الثورات في الدقيقة (rpm) ، وتدور الوقت الطلاء هو 20 ثانيه ، وسرعه في المرحلة الثانية الطلاء تدور هو 1,000 دوره في الدقيقة ، والوقت الطلاء تدور هو 40 s.
    2. تعيين كميه المواد الطلاء وتدور كما 3 مل والوقت من علاج الضوء كما 180 s في برنامج التحكم.
  3. اعداد الملف المصدر للطباعة متعددة الطائرات
    1. استيراد صوره الاوعيه الدموية ليتم طباعتها في حزمه البرمجيات اللون الأكريليك وتعيين المعلمات (موقف الطباعة وكميه النافثة للحبر) وفقا للعلاقة بين المعلمات البصرية من الأشباح المطبوعة وخصائص الصورة. في هذه الصورة المطبوعة الاوعيه الدموية ، يتم تحميل قناه K مع ماده شفافة الضوئية ، ويتم تحميل قناه Y مع المواد الكهروضوئية مختلطة مع صبغه حمراء الصينية.
    2. إنشاء ملف ".prn" مع المعلمات المعرفة للطباعة ثلاثية الابعاد.
  4. اعداد رمز G للطباعة FDM
    1. رسم نموذج مخروط مع حزمه برامج التخطيط 3d (علي سبيل المثال ، سوليدووركس) لمحاكاة الورم.
    2. استيراد ملف ". stl" من نموذج الورم إلى حزمه البرامج كورا مثبته مع الكل في واحد فوهه تقطيع النصي.
    3. شريحة النموذج لإنشاء رمز G المطلوبة للطباعة.
  5. تحميل المستندات إلى برنامج التحكم في الطباعة
    1. انقر فوق عنصر القائمة "ملف" في شريط القوائم ، حدد العنصر الفرعي "استيراد الاشعه فوق البنفسجية ملف الطباعة" ، وتحميل الطباعة فوق البنفسجية ".prn" الملفات المقدمة في الخطوة 2.3.
    2. تحميل التعليمات البرمجية G التي تم إنشاؤها في الخطوة 2.4 في برنامج التحكم بالطباعة كما في الخطوة 2.5.1.
    3. انقر فوق الزر " بدء الطباعة " لبدء اجراء الطباعة التلقائي ثلاثي الابعاد.

3. طباعه الجلد طبقه البشرة الوهمية مكون من خلال الطلاء تدور

ملاحظه: وحده الطلاء تدور تتكون أساسا من ثلاثه أجزاء: 1) تدور المغطي ؛ 2) موزع الغراء ؛ و 3) مصباح الاشعه فوق البنفسجية.

  1. نقل الركيزة علي محطه التحميل إلى مرحله عينه من المغطي تدور مع اليد الميكانيكية. بدء مضخة فراغ لإصلاح الركيزة عن طريق الامتزاز.
  2. الغراء موزع يتحكم في حقنه بالتنقيط المواد المقدمة في الخطوة 2-2-2 في وسط الركيزة.
  3. يبدا المشارك بالدوران في العمل بعد تعيين السرعة ومعلمات الوقت.
  4. إخماد مصباح الاشعه فوق البنفسجية (الطول الموجي: 395 nm) وتشغيله ل 180 s.
  5. رفع مصباح الاشعه فوق البنفسجية ، وإيقاف دوران المغطي ، وطباعه طبقه البشرة الجلد.

4. طباعه الجلد طبقه الادمه عنصر الوهمية بواسطة polyjetting

ملاحظه: وحده الطباعة polyjet يتكون من فوهه نفث الحبر الكهربائية ، ومنصة متنقلة ثلاثية الابعاد ، لوحه التحكم ، ومصباح الاشعه فوق البنفسجية (مصباح الزئبق). تستخدم المواد الضوئية المستندة إلى المذيبات ، ومواد الامتصاص ، ومواد النثر كمصفوفة. يتم الحصول علي المعلمات البصرية المختلفة عن طريق رش المواد بنسب مختلفه في مناطق مختلفه. وأخيرا ، يتم طباعه طبقه الادمه الوهمية والشفاء طبقه من طبقه.

  1. نقل الركيزة إلى منصة المحمول 3D وفتح صمام الشفط لامتصاص الركيزة علي المنصة.
  2. منصة المحمول 3D يحمل الركيزة إلى الموقف الاولي للطابعة UV.
  3. دفع الطابعة النافثة للحبر إلى موقف العمل بواسطة الاسطوانه ، والطابعة النافثة للحبر يعمل الوقت المحدد في الملف ".prn" المرسلة من قبل الكمبيوتر المضيف. هنا ، يتم استخدام اشاره تغذيه الورق من الطابعة النافثة للحبر لدفع حركه المنصة المتنقلة Y-المحور.
  4. تطبع الطابعة النافثة للحبر الطبقة المصممة في الخطوة 2.5.1 والاسطوانه تدفع الطابعة النافثة للحبر مره أخرى إلى الموضع الأصلي. يتم تهيئه محور Y من منصة متحركة 3D وضعت مع الركيزة من خلال الانتقال إلى موقفها الاولي.
  5. الركيزة يتحرك 50 مم في الاتجاه الإيجابي للمحور Y. يتم دفع مصباح الاشعه فوق البنفسجية إلى أسفل بواسطة الاسطوانه (10 ملم فوق الركيزة).
  6. بدوره علي مصباح الاشعه فوق البنفسجية ل 180 s وفقا لاعداد وقت العلاج.
  7. دفع مصباح الاشعه فوق البنفسجية إلى الموقف الاولي مع الاسطوانه. يتم تهيئه محور Y لمنصة المحمول 3D وضعت مع الركيزة وعاد إلى موقفها الاولي.
  8. نقل منصة المحمول 3D وضعت مع الركيزة أسفل بواسطة 0.1 مم علي طول المحور Z.
  9. كرر الخطوات 4.1 – 4.8 لطباعه الطبقة التالية حتى تكتمل الطباعة متعددة الطبقات.

5. طباعه عنصر النسيج تحت الجلد الوهمية من قبل FDM

ملاحظه: تتكون الوحدة النمطية FDM من وحده نمطيه مختلطة ثلاثية الرؤوس ، وحده أحاديه الراس ، ومنصة متنقلة ثلاثية الابعاد. وتستخدم الشمع هلام ، وامتصاص المواد ، والمواد نثر والمواد الخام لاعداد وهميه محاكاة الانسجه تحت الجلد/الورم. يتم تسخين الشمع هلام وذاب في وحده التغذية. أثارت بشكل موحد من قبل رئيس البثق ، هو مقذوف لطباعه الأشباح النهائية مع المعلمات البصرية المطلوبة.

  1. بدوره علي قوه التدفئة من وحده فوهه وتعيين درجه الحرارة إلى 60 درجه مئوية.
  2. نقل فوهه خلط إلى موقف العمل عن طريق دفع الاسطوانه.
  3. الوحدة النمطية FDM يتلقى أوامر رمز G المرسلة من قبل الكمبيوتر المضيف ، ويتم تسخين فوهه خلط تصل إلى 68 درجه مئوية.
  4. بدوره علي المحرك الانفعالات وتخلط المواد بشكل جيد.
  5. تهيئه المنصة المتنقلة ثلاثية الابعاد ونقل محاور XYZ إلى الموضع الاولي.
  6. يتم تنفيذ عمليه الطباعة التالية أوامر التعليمات البرمجية G. في اجراء الطباعة طبقه بطبقه ، يتم مقذوف المواد بالتناسب مع نسبه الاختلاط التي تحدد المعلمات البصرية لفانتوم في كل طبقه. تستمر الطباعة حتى يتم طباعه جزء الانسجه تحت الجلد أو جزء الورم بالبالكامل.
  7. نقل وحده فوهه خلط إلى الموقف الاولي عن طريق دفع الاسطوانه.
    تحذير: لان مسحوق الجرافيت لديه امتصاص الضوء القوي ، فانه يحتاج إلى ان تكون مختلطة بشكل موحد قدر الإمكان لتجنب التغييرات في المعلمات البصرية الناجمة عن التجميع. تيو2 مسحوق حجم الجسيمات الكبيرة يعجل بسهوله ويؤثر علي دقه التنسيب المادية ، لذلك فمن الضروري لمزجها بالبالكامل. يجب استبدال TiO2 إذا تم تخزينها لفتره طويلة.

6. نقل الركيزة مره أخرى إلى محطه التحميل

  1. تهيئه المنصة المتنقلة ثلاثية الابعاد ونقل محور XYZ إلى الموضع الاولي. انقل المنصة المتنقلة ثلاثية الابعاد إلى موقع التسليم.
  2. تحريك اليد الميكانيكية إلى الموقف فوق الركيزة عن طريق دفع الاسطوانه.
  3. التقاط الركيزة ونقله عبر محطه التحميل مع اليد الميكانيكية. وضع الركيزة علي محطه التحميل واستكمال الطباعة الألى.

7. صب طبقه الانسجه تحت الجلد الوهمية مكون من قبل صب

ملاحظه: إذا تم تصميم نموذج الورم لفانتوم ، فانه سيكون من الضروري ان يلقي الوهمية بأكملها عن طريق صب polydimethylsiloxane (PDMS) خارج الورم. الخطوات 7.1 – 7.3 غير مطلوبه للوحدة FDM لطباعه طبقه الانسجه تحت الجلد دون ورم.

  1. اضغط علي الركيزة مع 3D قالب مستطيل المطبوعة.
  2. صب السائل PDMS في العفن.
  3. وضع الركيزة في حاضنه وتخزين في 60 درجه مئوية لمده 2 ساعة.
  4. أزاله الوهمية من الركيزة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وهميه ملفقه بواسطة طلاء تدور
الطلاء تدور يوزع بالتساوي قطرات علي الركيزة عن طريق تدوير القرص الدوار ، ويتم تصنيع طبقه واحده من الجسم الأصلي بعد علاج. سرعه الدوران من الركيزة ووقت الدوران لا تؤثر فقط علي نوعيه سطح الوهمية ، ولكن أيضا تحديد سمك كل طبقه من الوهمية. يمكن ملفقه الأشباح من سمك مختلفه بواسطة طلاء تدور المتكررة طبقه بطبقه. يمكن تحديد المعلمات البصرية للأشباح عن طريق تغيير نسبه التشتت ومواد الامتصاص ، كما هو موضح في المنشور السابق24. زيادة تركيز تيو2 في الراتنج الضوئية سوف تزيد من معامل تشتت الوهمية. النظر إلى ان الطلاء تدور لديه دقه 0.01 مم والبشرة الجلد هو بين 0.04-1.6 ملم سميكه ، وعمليه تلبي متطلبات محاكاة البشرة الجلد (الشكل 2).

Figure 2
الشكل 2: طبقه واحده وهميه ملفقه بواسطة طلاء الغزل. (ا) يضاف المواد pdms إلى 50 ٪ الكحول المتناسبة tert بوتيل وتدور المغلفة في 3,000 دوره في الدقيقة ل 40 s لتشكيل الوهمية طبقه واحده. سمك الوهمية هو 10 ± 1 μm كما يقاس من قبل OCT. (ب) الارتباطات بين السماكة القابلة للتحقيق للفيلم pdms وسرعه الدوران في أوقات الغزل المختلفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

وهميه ملفقه من قبل polyjet الطباعة12
يتم خلط المواد الخفيفة القابلة للشفاء من قنوات مختلفه مع الجزيئات البصرية المختلفة والمطبوعة من قبل الحبريه الكهربائية علي الركيزة وفقا لملف ". برين". يتم الحصول علي طبقه واحده من الشبح بعد علاج. القرار من الطابعة polyjet هو 18 μm x 18 μm x 10 μm (طول × عرض x الارتفاع) ، والقرار الموضعي للمنصة المحمول هو 1 μm ، وفوهه يدعم أربعه أنواع مختلفه من مواد الطباعة. دقه الطائرة الطباعة هو 50 μm ، ويتم تحديد سماكه كل طبقه من قبل كميه من المواد التي تم إخراجها. كما يتم تعيين كميه طرد من قناه واحده في 60 ٪ ، ومتوسط سمك كل طبقه هو 100 ± 10 μm. طبقه الادمه من انسجه الجلد عاده ما بين 0.4-2.4 ملم سميكه ، ووحده الطباعة النافثة للحبر قادره علي الوصول إلى قرار سمك 100 μm. يتم محاكاة الاوعيه الدموية البشرة عن طريق خلط مواد الطباعة مع صبغه حمراء الصينية (الشكل 3).

Figure 3
الشكل 3: محاكاة الاوعيه الدموية المطبوعة بواسطة الطباعة متعددة الطائرات. (ا) صوره الاوعيه الدموية لخطوط الطباعة التي تحاكي الاوعيه الدموية. (ب) الخطوط التي تحاكي الاوعيه الدموية المطبوعة علي ورق ابيض ، حيث تكون الورقة ثابته علي ركيزة المنصة المتنقلة ثلاثية الابعاد في عمليه الطباعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

وهميه ملفقه من قبل FDM الطباعة
يتم خلط الشمع هلام مع مسحوق الجرافيت و TiO2 مسحوق والمطبوعة في الشكل المطلوب من قبل fdm الطباعة. الخطا الابعاد في الاتجاه الأفقي لفانتوم هو اقل من 1 ٪. الطول الجانبي لفانتوم يتجاوز 20 ملم ، وميزه الحد الأدنى للطباعة هو 1 ملم ، والنطاق القابل للطباعة هو 100 مم × 100 مم × 20 ملم. تعتمد معلمات الامتصاص والتشتت للشبح علي نسبه ال TiO2 ومسحوق الجرافيت في الداخل. ويعرض الشكل 4 الأشباح من الاحجام ميزه مختلفه المطبوعة بواسطة الطباعة fdm باستخدام الشمع هلام دون تيو2 ومسحوق الجرافيت. يمكننا تغيير نسبه تيو2 إلى مسحوق الجرافيت اثناء الطباعة ، التالي افتعال الأشباح من مختلف المعلمات الامتصاص والتشتت ، بما في ذلك التدرجات (الشكل 4ب). الارتباط من امتصاص ونثر معلمات مع النسبة من [تيو]2 إلى غرافيت مسحوق يستطيع كنت أسست في المراجع24.

Figure 4
الشكل 4: نتائج الطباعة FDM. (A) ثمانيه طبقه 40 مم × 40 مم × 0.4 مم نموذج مستطيل مع لون التدرج. (B) فانتوم الانحدار التي تم الحصول عليها عن طريق طباعه الشمع هلام مختلطة مع تيو2 ومسحوق الجرافيت علي نطاق تدريجي. (C) نموذج CAD في شكل متعدد الزوايا. (د) نموذج متعدد الزوايا المطبوعة. الجزء السفلي الأيمن من الصورة هو النتيجة تقاس تحت مجهر الرؤية الاماميه. الحد الأدنى لميزه الطباعة من FDM هو 1 مم. (ه) مستطيلات الأشباح المطبوعة في وحده fdm. (و) تشير النتائج المقيسة إلى ان التباين في الحجم يقل عن 1 في المائة عندما يكون البعد الأفقي فوق 20 مم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

وهميه ملفقه من قبل خط إنتاج الطباعة الألى
من خلال دمج أساليب الطباعة الثلاثة المذكورة أعلاه واتباع البروتوكول المذكور أنفا ، فان نظام خط الإنتاج قادر علي إنتاج شبح يحاكي الورم. أخذ نموذج الجلد مبسطه كمثال ، طبقه البشرة ، طبقه الادمه ، وطبقه الانسجه تحت الجلد مع مختلف سمك وخصائص بصريه ملفقه بواسطة الطلاء ، والطباعة polyjet ، والطباعة FDM ، علي التوالي. ولذلك ، تم التحقق من امكانيه الجمع بين طلاء الغزل ، والطباعة متعددة الطائرات ، والطباعة FDM لإنتاج الأشباح البصرية ، وكان النظام قادرا علي إنتاج الأشباح البصرية الانسجه مع الخصائص البصرية والهيكلية محاكاة (الشكل 5، الشكل 6).

Figure 5
الشكل 5: ملفقه الأشباح الجلد متعدد الطبقات مع ورم جزءا لا يتجزا. (ا) رسم تخطيطي لهيكل متعدد الطبقات من الورم الوهمي ، بما في ذلك طبقات واحده مغلفه بالدوران ، وسبع طبقتين مطبوعتين (بما في ذلك ثلاث طبقات شفافة وثلاث طبقات من طبقات الاوعيه الدموية ، وطبقه واحده مشتركه ، وورم مطبوع من طراز fdm). الجزء السفلي الأيمن من الصورة هو تقديم التخطيطي من الوهمية. (ب) الشبح علي اليسار لديه اثنين من الأورام المدمجة والحق واحد لديه ورم واحد جزءا لا يتجزا. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: تلفيق البشرة متعددة الطبقات-محاكاة الأشباح. (ا) يتكون شبح الجلد متعددة الطبقات المطبوعة علي رقاقه السيليكون للطبقة الطلاء تدور ، طبقه الطباعة polyjet ، وطبقه الطباعة fdm من أسفل إلى اعلي. (ب) المنظر الامامي لشبحي المضمن بأخاديد تشبه الاوعيه الدموية علي سطحه. (ج) صوره مجهريه لمقطع عرضي من الشبح يظهر الطبقات المختلفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في تلفيق الوهمية متعددة الطبقات ، والمواد المستخدمة لطلاء تدور هو نوع من المواد الخفيفة للشفاء بدلا من PDMS. يتم طباعه الطبقة المتوسطة مع طريقه الطباعة polyjet ، والذي يستخدم الراتنج ضوء قابل للشفاء كماده خام. علي الرغم من ان الأشباح PDMS رقيقه يمكن ان يتم عن طريق الطلاء تدور بعد أضافه الكحول تيبوتيل ، لا يمكن ربط طبقه PDMS بشكل فعال إلى المواد الخفيفة للشفاء اثناء الطباعة polyjet. ولذلك ، اخترنا الراتنج ضوء قابل للشفاء لطلاء تدور.

حاليا ، يتوفر فقط اثنين من المواد للطباعة متعددة الطائرات. أضافه مسحوق تيو2 والحبر الهندي إلى المواد الخفيفة للشفاء يحاكي الخصائص البصرية للطبقة الادمه ، والتي يمكن ان تضاف إلى النظام في العمل في المستقبل.

للطباعة FDM ، يجب ان تكون المواد مختلطة تماما قبل البثق. لذلك ، قد يكون تاخير العملية بسبب الخلط أطول من عمليه الطباعة FDM التقليدية. كما يتم تاخير حركه الركيزة علي منصة المحمول 3D للوقت المقابل اثناء الطباعة. لطباعه الأشباح ذات الاشكال المعقدة ، يجب تحسين التحكم في التاخير.

الخطوة الاخيره في تصنيع الوهمية محاكاة الورم هو الصب. في الواقع ، في تصميم الجمعية فوهه ، يتم استخدام فوهه المضافة لحقن ماده رابعه. ومع ذلك ، فان السيطرة علي عمليه حركه المنصة المتنقلة ثلاثية الابعاد معقده ، وقد تدمر الفوهة نموذج الورم الأصلي. ويمكن تحسين هذا عن طريق أعاده تصميم برنامج التحكم في الحركة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgments

وحظي هذا العمل بدعم المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 11002139 و 81327803) وصندوق البحوث الاساسيه للجامعات المركزية. نشكر زاكاري ج. سميث من جامعه العلوم والتكنولوجيا لتوفير الصوت الصوتي.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19, (1), 010901 (2014).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
  23. 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).
  24. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics