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생물학적 조직을 시뮬레이션하기 위한 팬텀의 멀티모달 3D 프린팅

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Engineering

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Summary

스핀 코팅, 폴리젯 프린팅 및 융합 증착 모델링은 생물학적 조직의 구조적 및 기능적 특성을 시뮬레이션하는 다층 이기종 팬텀을 생성하기 위해 통합됩니다.

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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).

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Abstract

생물 의학 광학 화상 진찰은 각종 질병의 진단 그리고 처리에 있는 중요한 역할을 하고 있습니다. 그러나 광학 이미징 장치의 정확성과 재현성은 구성 요소의 성능 특성, 테스트 환경 및 작업의 영향을 크게 받습니다. 따라서 추적 가능한 팬텀 표준에 따라 이러한 장치를 교정해야 합니다. 그러나, 현재 유효한 팬텀의 대부분은 생물학 조직의 다중 모달 및 동적 특성을 시뮬레이션할 수 없는 균질한 유령입니다. 여기서, 우리는 스핀 코팅 모듈, 폴리젯 모듈, 융합 증착 모델링 (FDM) 모듈 및 자동 제어 프레임 워크를 통합 생산 라인을 사용하여 이기종 조직 시뮬레이션 유령의 제조를 보여줍니다. "디지털 광학 팬텀"의 구조 정보와 광학 파라미터는 프로토타입 파일에 정의되어 생산 라인으로 가져오고 서로 다른 인쇄 양식 간의 순차적 전환을 통해 제작된 레이어별 레이어별로 정의됩니다. 이러한 생산 라인의 기술적 능력은 표피, 진피, 피하 조직 및 임베디드 종양을 포함하는 피부 시뮬레이션 유령의 자동 인쇄에 의해 예시된다.

Introduction

생물 의학 광학 화상 진찰은 생물학 조직과의 가벼운 상호 작용에 근거를 둔 질병 및 조직 이상을 검출하는 의학 화상 진찰 공구의 가족을 나타냅니다. 자기 공명 영상(MRI) 및 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 같은 다른 영상 양식과 비교하여, 생체 의학 광학 이미징은 저비용 휴대용 장치를 사용하여 조직 구조, 기능 및 분자 특성의 비침습적 측정을 활용합니다1,2,3,4. 그러나, 비용과 휴대성의 우수성에도 불구하고, 광학 화상 진찰은 광학과 생물학 매개변수 사이 그것의 나쁜 재현성과 양적 매핑의 부족 때문에 부분적으로 임상 진단 및 치료 지도를 위해 넓게 받아들여지지 않았습니다. 이러한 제한의 주된 이유는 생체 의학 광학 이미징 장치의 정량적 교정 및 검증을 위한 추적 가능한 표준이 없기 때문입니다.

과거에는5,6,7,피부8,9,10,11,12,방광 13, 유방 조직14,15,16,17과 같은 다양한 조직 유형에서 생물 의학 광학 이미징 연구를 위해 다양한 조직 시뮬레이션 팬텀이 개발되었습니다. 이러한 팬텀은 주로 다음 제조 공정 중 하나에 의해 생산된다 : 1) 스핀 코팅10,18 (균질및 얇은 층 조직을 시뮬레이션하기위한); 2) 성형19 (기하학적 특징으로 부피가 큰 조직을 시뮬레이션하기위한); 및 3) 3 차원 (3D) 인쇄20,21,22 (다층 이종 조직 시뮬레이션). 성형에 의해 생성된 피부 유령은 피부 조직의 대량 광학 적 특성을 모방할 수 있지만 횡측 광학이질성(19)을시뮬레이션할 수는 없다. Bentz 외. 생물학적조직(23)의상이한 광학적 특성을 모방하기 위해 2채널 FDM 3D 프린팅 방법을 사용했다. 그러나, 두 물질을 사용하면 조직 광학 이질성과 이방성 등을 충분히 시뮬레이션할 수 없다. Lurie 등은 3D 프린팅과 스핀 코팅13을결합하여 광학 일관성 단층 촬영 (OCT) 및 방광경 검사를위한 방광 팬텀을 만들었습니다. 그러나 혈관과 같은 유령의 이질적인 특징은 손으로 그려야했습니다.

위의 팬텀 제조 공정 중에서 3D 프린팅은 생물학적 조직의 구조적 및 기능적 이질성을 시뮬레이션하는 데 가장 많은 유연성을 제공합니다. 그러나 피부 조직과 같은 많은 생물학적 조직 유형은 단일 3D 프린팅 프로세스로 효과적으로 복제할 수 없는 다층 및 다중 스케일 구성 요소로 구성됩니다. 따라서 여러 제조 공정을 통합해야 합니다. 우리는 생물 의학 광학 화상 진찰을 위한 추적 가능한 표준으로 유령을 시뮬레이션하는 다층 및 다중 스케일 조직의 자동 생산을 위한 다중 제조 공정을 통합하는 3D 인쇄 생산 라인을 제안합니다(그림 1). 스핀 코팅, 폴리젯 프린팅 및 FDM은 3D 프린팅 생산 라인에서 자동화되어 있지만 각 양식은 기존 공정과 동일한 기능적 특성을 유지합니다. 따라서 이 백서는 단일 장치에서 여러 공정을 물리적으로 통합할 필요 없이 다중 스케일, 다층 및 이기종 조직 시뮬레이션 팬텀을 생산하기 위한 일반적인 지침을 제공합니다.

Figure 1
그림 1: 3D 프린팅 생산 라인의 CAD 다이어그램입니다. (A)상단 쉘이 제거된 3D 프린팅 생산 라인입니다. (B)스핀 코팅 모듈과 기계식 핸드 모듈의 회로도. (C)폴리젯 인쇄 모듈의 회로도입니다. (D)FDM 인쇄 모듈의 회로도(UV 램프는 폴리젯 인쇄 모듈에 속합니다). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Protocol

1. 3D 프린팅을 위한 자료 준비

참고 : 우리의 광학 팬텀 생산 라인은 생물학적 조직의 구조적 및 기능적 이질성을 시뮬레이션하기 위해 다양한 인쇄 재료를 사용합니다. 인쇄 재료의 선택은 제조 공정에 따라 달라집니다.

  1. 스핀 코팅 인쇄를 위한 재료 준비
    1. 100 mg의 이산화 티타늄 (TiO2)분말을 100 mL의 스테레오 리소그래피 (SLA) 광중합체 수지가 들어있는 비커에 넣습니다.
    2. 혼합물을 비커에 넣고 마그네틱 교반기에서 30분 간 저어줍니다.
    3. 비커를 tinfoil으로 밀봉하고 초음파 기계에서 15 분 동안 초음파 처리하십시오.
    4. 재료를 10분 동안 진공 청소기로 청소하고 장치의 저장 주사기에 적재합니다.
  2. 폴리젯 인쇄를 위한 재료 준비
    1. 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 80g을 함유한 비커에 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(1-하이드록시시클로헥실 페닐 케톤)의 17.56 g을 첨가하여 18%(w/w) 물질을 얻습니다.
    2. 비커를 tinfoil으로 밀봉하고 초음파 기계에서 15 분 동안 초음파 처리하십시오.
    3. 혼합물 20 mL을 꺼내서 5 mg의 지용성 중국 붉은 색소를 넣습니다. 1.2.2단계를 반복합니다.
    4. 모든 재료를 진공 청소하고 Y(노란색) 채널의 카트리지에 염료로 용액을 로드하고 순수 용액을 K(검정) 채널의 카트리지에 로드합니다.
  3. FDM 인쇄를 위한 재료 준비
    1. 젤 왁스 200 g을 3개의 비커 각각에 적재한 다음 자기 교반기에서 60°C로 가열합니다.
    2. 첫 번째 비커에 600 mg TiO2 파우더를 추가하십시오. 두 번째 에 흑연 분말 80 mg을 추가합니다.
    3. 젤 왁스를 TiO2와 젤 왁스를 다른 비커에 흑연 분말과 혼합하여 마그네틱 교반기에서 30 분 동안 저어줍니다.
    4. 세 가지 다른 재료를 2분 동안 진공 청소하고 고형화전에 하이브리드 3노즐 모듈의 압출기에 적재합니다.

2. 멀티 모달 3D 프린팅을위한 컴퓨터 모델 준비

참고 : 이기종 피부 조직은 표피, 진피 및 피하 조직의 세 가지 층으로 단순화됩니다. 표피층은 1.1단계에서 도입된 물질을 이용하여 스핀 코팅에 의해 생성된다. 진피 층은 1.2 단계에서 도입 된 감광성 폴리머를 사용하여 폴리젯 인쇄에 의해 생성됩니다. 피하 조직 층은 1.3 단계에서 도입된 물질을 사용하여 FDM에 의해 제조된다. 앞서 언급한 제작 프로세스를 안내하기 위해 다양한 인쇄 파라미터의 CAD(프로토타입 컴퓨터 지원 설계) 파일이 생성됩니다.

  1. 피부를 위한 디지털 광학 팬텀 디자인
    1. 100 μm 두께의 표피 층, 두께 400 μm의 진피 층 및 1cm 두께의 피하 조직 : 다음과 같은 세 층으로 피부 유령을 디자인합니다.
    2. 3D 모델링 소프트웨어 패키지(예를 들어, 솔리드웍스)를 사용하여 종양 모델을그립니다(도 5A).
  2. 스핀 코팅용 파라미터 설정
    1. 인쇄 장치의 제어 소프트웨어에서 회전 속도 및 지속 시간의 매개 변수를 설정합니다. 이 데모에 사용되는 1단계 스핀 코팅 속도는 분당 200회 회전(rpm), 스핀 코팅 시간은 20초, 2단계 스핀 코팅의 속도는 1,000rpm, 스핀 코팅 시간은 40초입니다.
    2. 제어 소프트웨어에서 스핀 코팅 재료의 양을 3 mL로 설정하고 경화 시간을 180s로 설정합니다.
  3. 폴리젯 인쇄를 위한 소스 파일 준비
    1. AcroRIP 컬러 소프트웨어 패키지에 인쇄할 혈관 이미지를 가져오고 인쇄된 유령의 광학 파라미터와 이미지 특성 사이의 관계에 따라 파라미터(인쇄 위치 및 잉크젯 양)를 설정합니다. 이 인쇄 된 혈관 사진에서 K 채널에는 투명한 광치료 재료가로드되고 Y 채널에는 중국 적색 염료와 혼합 된 광 치료 가능한 재료가로드됩니다.
    2. 3D 프린팅에 정의된 매개변수로 ".prn" 파일을 생성합니다.
  4. FDM 인쇄를 위한 G 코드 준비
    1. 3D 매핑 소프트웨어 패키지(예: Solidworks)를 사용하여 종양을 시뮬레이션하는 프러스텀 모델을 그립니다.
    2. 종양 모델의 ".stl" 파일을 올인원 노즐 슬라이싱 스크립트와 함께 설치된 Cura 소프트웨어 패키지로 가져옵니다.
    3. 모델을 슬라이스하여 인쇄에 필요한 G 코드를 생성합니다.
  5. 인쇄 제어 소프트웨어에 문서 로드
    1. 메뉴 모음에서"파일"메뉴 항목을 클릭하고"UV 인쇄 파일 가져오기"하위 메뉴 항목을 선택하고 2.3 단계에서 소개된 UV 인쇄 ".prn" 파일을 로드합니다.
    2. 2.4단계에서 생성된 G 코드를 2.5.1단계에서와 같이 인쇄 제어 소프트웨어에 로드합니다.
    3. 인쇄 시작 버튼을 클릭하여 자동 3D 인쇄 절차를 시작합니다.

3. 스핀 코팅으로 피부 표피 층 팬텀 구성 요소 인쇄

참고 : 스핀 코팅 모듈은 주로 세 부분으로 구성되어 있습니다 : 1) 스핀 코터; 2) 접착제 디스펜서; 및 3) UV 램프.

  1. 로딩 스테이션의 기판을 기계적 손으로 스핀 코터의 샘플 단계로 이동합니다. 진공 펌프를 시작하여 흡착에 의해 기판을 고정합니다.
  2. 접착제 디스펜서는 기판의 중심에 2.2.2 단계에서 도입 된 물질을 물방울 주사기를 제어합니다.
  3. 스핀 코터는 설정된 속도 및 시간 매개 변수에 따라 작동하기 시작합니다.
  4. UV 램프 (파장 : 395 nm)를 내려 놓고 180 s용으로 켭니다.
  5. UV 램프를 들어 올리고 스핀 코터를 끄고 피부 표피 층을 인쇄합니다.

4. 폴리 제트에 의해 피부 진피 층 팬텀 구성 요소를 인쇄

참고 : 폴리 젯 인쇄 모듈은 압전 잉크젯 노즐, 3 차원 모바일 플랫폼, 제어판 및 UV 램프 (수은 램프)로 구성됩니다. 용매 계 광치료 재료, 흡수 재료 및 산란 재료는 매트릭스로 사용됩니다. 다른 광학 파라미터는 다른 지역에서 다른 비율로 재료를 분무하여 얻어진다. 마지막으로, 진피 층 팬텀이 인쇄되고 층별로 경화됩니다.

  1. 기판을 3D 모바일 플랫폼으로 이동하고 흡입 밸브를 열어 플랫폼의 기판을 흡착합니다.
  2. 3D 모바일 플랫폼은 UV 프린터의 초기 위치에 기판을 보유합니다.
  3. 잉크젯 프린터를 실린더의 작업 위치로 푸시하면 잉크젯 프린터는 호스트 컴퓨터에서 보낸 ".prn" 파일에 지정된 시간 동안 작동합니다. 여기서, 잉크젯 프린터의 종이 공급 신호는 Y축 모바일 플랫폼의 움직임을 구동하는데 사용된다.
  4. 잉크젯 프린터는 2.5.1단계에서 설계된 레이어를 인쇄하고 실린더는 잉크젯 프린터를 원래 위치로 다시 밀어 넣습니다. 기판과 함께 배치된 3D 이동 플랫폼의 Y축은 초기 위치로 이동하여 초기화됩니다.
  5. 기판은 Y축의 양수 방향으로 50mm 이동합니다. UV 램프는 실린더(기판 위 10mm)에 의해 아래로 밀려나게 됩니다.
  6. 경화 시간 설정에 따라 UV 램프를 180s에 켭니다.
  7. UV 램프를 실린더를 사용하여 초기 위치로 밀어 넣습니다. 기판과 함께 배치된 3D 모바일 플랫폼의 Y축이 초기화되고 초기 위치로 돌아갑니다.
  8. 기판이 있는 3D 모바일 플랫폼을 Z축을 따라 0.1mm 아래로 이동합니다.
  9. 4.1-4.8 단계를 반복하여 다층 인쇄가 완료될 때까지 다음 레이어를 인쇄합니다.

5. FDM에 의해 피하 조직 팬텀 구성 요소를 인쇄

참고: FDM 모듈은 하이브리드 3헤드 모듈, 단일 헤드 모듈 및 3D 모바일 플랫폼으로 구성됩니다. 겔 왁스, 흡수 물질 및 산란 물질은 피하 조직 / 종양을 시뮬레이션하는 팬텀을 제조하기 위해 원료로 사용됩니다. 겔 왁스는 가열되어 피더에서 녹습니다. 압출 헤드에 의해 균일하게 교반되고, 원하는 광학 파라미터로 최종 팬텀을 인쇄하기 위해 압출된다.

  1. 노즐 모듈의 가열 전력을 켜고 온도를 60°C로 설정합니다.
  2. 실린더를 밀어 혼합 노즐을 작업 위치로 이동합니다.
  3. FDM 모듈은 호스트 컴퓨터에서 전송하는 G 코드 명령을 수신하고 혼합 노즐은 최대 68°C까지 가열됩니다.
  4. 교반 모터를 켜고 재료를 잘 섞습니다.
  5. 3D 모바일 플랫폼을 초기화하고 XYZ 축이 초기 위치로 이동합니다.
  6. 인쇄 프로세스는 G 코드 명령에 따라 실행됩니다. 레이어별 인쇄 절차에서 재료는 각 층에서 팬텀의 광학 파라미터를 결정하는 혼합 비율에 비례하여 압출됩니다. 인쇄는 피하 조직 부분 또는 종양 부분이 완전히 인쇄될 때까지 계속됩니다.
  7. 실린더를 밀어 혼합 노즐 모듈을 초기 위치로 이동합니다.
    주의: 흑연 분말은 강한 광 흡수를 가지고 있기 때문에, 응집에 의해 유도 된 광학 파라미터의 변화를 피하기 위해 가능한 한 균일하게 혼합 될 필요가있다. 큰 입자 크기의 TiO2 분말은 쉽게 침전하고 재료 배치 정확도에 영향을 미치므로 완전히 혼합해야합니다. TiO2는 장시간 보관하는 경우 교체해야 합니다.

6. 기판을 적재 스테이션으로 다시 이동

  1. 3D 모바일 플랫폼을 초기화하고 XYZ 축을 초기 위치로 이동합니다. 3D 모바일 플랫폼을 인계 위치로 이동합니다.
  2. 실린더를 밀어 기판 위의 위치로 기계적 손을 이동합니다.
  3. 기판을 집어 들고 기계적 손으로 적재 스테이션 위로 이동하십시오. 기판을 적재 스테이션에 놓고 자동 인쇄를 완료합니다.

7. 성형에 의해 피하 조직 층 팬텀 구성 요소를 주조

참고 : 팬텀에 대한 종양 모델이 설계되면 종양 외부에 폴리 디디메틸 실록산 (PDMS)을 부어 전체 팬텀을 캐스팅해야합니다. 단계 7.1-7.3은 FDM 모듈이 종양없이 피하 조직 층을 인쇄하는 데 필요하지 않습니다.

  1. 3D 인쇄 직사각형 금형으로 기판을 누릅니다.
  2. 액체 PDMS를 금형에 붓습니다.
  3. 기판을 인큐베이터에 놓고 2 시간 동안 60 °C에 보관하십시오.
  4. 기판에서 팬텀을 제거합니다.

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Representative Results

스핀 코팅으로 제작된 팬텀
스핀 코팅은 턴테이블을 회전시켜 기판에 방울을 고르게 분배하고, 원래 본체의 단일 층은 경화 후 제작된다. 기판의 회전 속도와 회전 시간은 팬텀의 표면 품질에 영향을 줄 뿐만 아니라 팬텀의 각 층의 두께를 결정합니다. 서로 다른 두께의 팬텀은 반복적 인 스핀 코팅 층별로 제작 될 수 있습니다. 팬텀의 광학 파라미터는 우리의 이전 간행물24에설명된 바와 같이 산란 및 흡수 물질의 비율을 변경함으로써 결정될 수 있다. 광치료수지에서TiO2 농도를 증가시키면 팬텀의 산란 계수가 증가하게 된다. 스핀 코팅의 정밀도가 0.01 mm이고 피부 표피가 두께가 0.04-1.6 mm임을 고려할 때, 이 과정은 피부 표피를 시뮬레이션하기 위한 요구 사항을 조정합니다(그림2).

Figure 2
그림 2: 스핀 코팅으로 제작된 단층 팬텀. (a)PDMS 물질은 50% 비례테르-부틸 알코올에 첨가되고 40s에 대해 3,000 rpm으로 스핀 코팅되어 단일 층 팬텀을 형성한다. 팬텀의 두께는 OCT에 의해 측정된 바와 같이 10±1 μm이다.(B)PDMS 필름의 달성 가능한 두께와 상이한 회전 시간에의 스핀 속도 사이의 상관관계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

폴리젯 인쇄로 제작된 팬텀12
다른 채널의 경화 재료는 다른 광학 입자와 혼합되고 ".prn"파일에 따라 기판에 압전 잉크젯에 의해 인쇄됩니다. 팬텀의 단일 층은 경화 후 얻어진다. 폴리젯 프린터의 해상도는 18 μm x 18 μm x 10 μm (길이 x 너비 x 높이)이며 모바일 플랫폼의 위치 해상도는 1 μm이며 노즐은 4 가지 유형의 인쇄 재료를 지원합니다. 인쇄 평면의 정확도는 50 μm이며 각 층의 두께는 배출된 재료의 양에 의해 결정됩니다. 단일 채널의 배출량이 60%로 설정됨에 따라 각 층의 평균 두께는 100±10 μm입니다. 피부 조직의 진피 층은 일반적으로 0.4-2.4 mm 두께이며 잉크젯 인쇄 모듈은 100 μm의 두께 분해능에 도달 할 수 있습니다. 표피 혈관은 인쇄 재료를 중국 적색 염료와 혼합하여 시뮬레이션됩니다(그림 3).

Figure 3
그림 3: 폴리젯 인쇄로 인쇄된 혈관 시뮬레이션. (A)혈관을 모방 한 인쇄 라인용 혈관 사진. (B)종이가 인쇄 과정에서 3D 모바일 플랫폼의 기판에 고정되어 있는 백서에 인쇄된 혈관을 모방한 선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

FDM 인쇄로 제작된 팬텀
겔 왁스는 흑연 분말 및 TiO2 분말과 혼합되고 FDM 인쇄에 의해 원하는 형태로 인쇄됩니다. 팬텀의 수평 방향의 치수 오차는 1% 미만입니다. 팬텀의 측면 길이는 20mm를 초과하고 최소 인쇄 가능한 기능은 1mm이며 인쇄 가능한 범위는 100mm x 100mm x 20mm입니다. 팬텀의 흡수 및 산란 파라미터는 TiO2 와 흑연 분말 내부의 비율에 따라 달라집니다. 그림 4는 TiO2 및 흑연 분말이없는 젤 왁스를 사용하여 FDM 인쇄에 의해 인쇄 된 다양한 기능 크기의 팬텀을 제공합니다. 우리는 인쇄 중에 TiO2의 비율을 흑연 분말로 변경할 수 있으며, 따라서 그라데이션을 포함한 다른 흡수 및 산란 매개 변수의 유령을 제작할 수 있습니다(그림 4B). TiO2 대 흑연 분말의 비율과 흡수 및 산란 파라미터의 상관관계는 참고문헌24에서확인할 수 있다.

Figure 4
그림 4: FDM 인쇄 결과. (A)그라데이션 색상의 8층 40mm x 40mm x 0.4mm 입방체 모델. (B)TiO2 및 흑연 분말과 혼합된 젤 왁스를 점진적으로 인쇄하여 얻은 그라데이션 팬텀. (C)CAD 모델의 멀티 코너 모양. (D)멀티 코너 모델 인쇄. 사진의 오른쪽 하단은 정면 현미경으로 측정된 결과입니다. FDM의 최소 인쇄 기능은 FDM 모듈에 인쇄된1mm(E)입방체 팬텀입니다. (F)측정된 결과는 횡치가 20mm를 초과할 때 크기 변화가 1% 미만임을 나타냅니다.

자동화된 인쇄 생산 라인으로 제작된 팬텀
상기 3개의 프린팅 방법을 통합하고 전술한 프로토콜에 따라, 생산 라인 시스템은 종양 시뮬레이션 팬텀을 생성할 수 있다. 단순화된 피부 모델을 예로 들면, 표피층, 진피층, 및 서로 다른 두께및 광학적 성질을 가진 피하 조직 층은 각각 스핀 코팅, 폴리젯 프린팅 및 FDM 프린팅에 의해 제조된다. 따라서, 스핀 코팅, 폴리젯 프린팅 및 FDM 프린팅을 결합하여 광학 팬텀을 생성할 수 있는 가능성이 검증되었으며, 시스템은 시뮬레이션된 광학 및 구조적 특성을 가진 조직 광학 팬텀을 생성할 수있었다(도 5, 도 6).

Figure 5
그림 5: 종양이 내장된 다층 피부 유령을 제작하였다. (A)하나의 스핀 코팅 층, 일곱 폴리젯 인쇄 층 (세 개의 투명 층과 혈관 층의 세 층, 하나의 공통 층, 하나의 FDM 인쇄 종양을 포함) 종양 팬텀의 다층 구조의 회로도. 그림의 오른쪽 하단은 팬텀의 회로도 렌더링입니다. (B)왼쪽의 유령에는 두 개의 종양이 있고 오른쪽 종양에는 종양이 하나 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 다층 피부 모방 팬텀 을 제작. (A)실리콘 웨이퍼에 인쇄된 다층 피부 팬텀은 스핀 코팅 층, 폴리젯 인쇄 층 및 FDM 인쇄 층으로 구성되어 있습니다. (B)표면에 혈관 과 같은 홈이 내장 된 유령의 전면보기. (C)상이한 층을 나타내는 팬텀의 단면의 현미경 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

다층 팬텀의 제조에서 스핀 코팅에 사용되는 재료는 PDMS 대신 경화 가능한 재료의 일종입니다. 중간 층은 원료로 광 경화 수지를 사용하는 폴리젯 인쇄 방법으로 인쇄됩니다. 얇은 PDMS 팬텀은 테르트 부틸 알코올을 첨가 한 후 스핀 코팅으로 만들 수 있지만 PDMS 층은 폴리젯 인쇄 중에 경화 성 물질에 효과적으로 결합 할 수 없습니다. 따라서 스핀 코팅용 경화 수지(light-curable)를 선택했습니다.

현재 폴리젯 인쇄에는 두 가지 재료만 사용할 수 있습니다. 경화 성 재료에 TiO2 분말 및 인도 잉크를 추가하면 진피 층의 광학 적 특성을 시뮬레이션하여 향후 작업에서 시스템에 추가 할 수 있습니다.

FDM 인쇄의 경우, 재료는 압출 전에 철저히 혼합되어야 한다. 따라서, 혼합으로 인한 공정 지연은 기존의 FDM 프린팅 공정보다 길수 있다. 3D 모바일 플랫폼에서 기판의 이동도 인쇄 중에 해당 시간 동안 지연된다. 복잡한 모양의 팬텀을 인쇄하려면 지연 제어를 개선해야 합니다.

종양 시뮬레이션 팬텀의 제조의 마지막 단계는 캐스팅입니다. 사실, 노즐 어셈블리의 설계에서 추가 된 노즐은 네 번째 재료를 주입하는 데 사용됩니다. 그러나, 3D 모바일 플랫폼의 이동 과정의 제어는 복잡하고, 노즐은 원래의 종양 모델을 파괴할 수 있다. 모션 제어 프로그램을 다시 디자인하여 이를 개선할 수 있습니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

이 작품은 중국 국립 자연 과학 재단 (그랜트 번호 11002139 및 81327803)과 중앙 대학의 기초 연구 기금에 의해 지원되었다. 우리는 오디오 음성 해설을 제공하는 과학 기술 대학의 재커리 J. 스미스에게 감사드립니다.

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

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