Author Produced

הדפסת תלת-ממד תלת ממדית של פאנטומים להדמיית רקמה ביולוגית

* 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

ציפוי ספין, הדפסה polyjet, מידול הנתיך התמזגו משולבים לייצר פאנטומים הטרוגנית רב שכבתית המדמים תכונות מבניות ופונקציונליות של רקמות ביולוגיות.

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

הדמיה אופטית ביו-רפואית משחקת תפקיד חשוב באבחון וטיפול במחלות שונות. עם זאת, הדיוק והאפשרות המתכלים של מכשיר דימות אופטי מושפעים מאוד ממאפייני הביצועים של רכיביו, סביבת הבדיקה והפעולות. לכן, יש צורך לכייל התקנים אלה על-ידי מעקב אחר תקני פנטום. עם זאת, רוב הפאנטומים הזמינים כרגע הם פאנטומים הומוגניות שלא יכולים לדמות מאפיינים מודאליים ודינמיים של רקמות ביולוגיות. כאן, אנו מראים את הייצור של רקמות הטרוגנית-הדמיית פאנטומים באמצעות קו הייצור שילוב מודול ציפוי ספין, מודול polyjet, מידול המתמזגו תצהיר (FDM) מודול, ו מסגרת בקרה אוטומטית. המידע המבני והפרמטרים האופטיים של "פנטום אופטי דיגיטלי" מוגדרים בקובץ אב-טיפוס, מיובאים לקו הייצור, ומפוברק שכבה-אחר-שכבה עם מתג רציף בין שיטות הדפסה שונות. היכולת הטכנית של קו ייצור כזה היא לידי ביטוי על ידי הדפסה אוטומטית של העור הדמיית פאנטומים המרכיבים את האפידרמיס, dermis, הרקמה התת עורית, וגידול מוטבע.

Introduction

הדמיה אופטית ביו-רפואית מייצגת משפחה של כלי הדמיה רפואית המאתרות מחלות וסטיות רקמות המבוססות על אינטראקציות אור עם רקמה ביולוגית. בהשוואה לאופנים אחרים, כגון דימות תהודה מגנטית (MRI) וטומוגרפיה ממוחשבת (CT), הדמיה אופטית ביו-רפואית לוקחת את היתרון של מדידה לא פולשנית של מאפיינים מבניים, פונקציונליים ומולקולריים, תוך שימוש בעלות נמוכה ומכשירים ניידים1,2,3,4. עם זאת, למרות עליונותה בעלות ובניידות, הדמיה אופטית לא התקבלה באופן נרחב לאבחון קליני והדרכה טיפולית, חלקית בשל היכולת הירודה שלה וחוסר מיפוי כמותי בין פרמטרים אופטיים וביולוגיים. הסיבה העיקרית למגבלה זו היא היעדר תקנים מעקב עבור כיול כמותי ותיקוף של מכשירי דימות אופטיים ביו-רפואיים.

בעבר, מגוון של פאנטומים הדמיית רקמות פותחו עבור מחקר אופטי ביו הדמיה בסוגי רקמות שונים, כגון המוח5,6,7, עור8,9,10,11,12, שלפוחית השתן13, ורקמות השד14,15,16,17. הפאנטומים הללו מיוצרים בעיקר על ידי אחד מתהליכי הייצור הבאים: 1) ציפוי ספין10,18 (להדמיית רקמה הומוגנית ודקה בשכבות); 2) מעצבים19 (להדמיית רקמה מגושם עם תכונות גיאומטריות); 3) הדפסה תלתממדית 20,21,22 (להדמיית רקמה הטרוגנית בעלת שכבות). העור מרוחות המיוצר על ידי דפוס הם מסוגלים לחקות את התכונות האופטיות בצובר של רקמת העור, אך לא יכול לדמות את הטרוגניטים אופטיים לרוחב19. בנטוז ואח ' השתמשו בשיטת הדפסה תלת-ממדית של שני ערוצים לחיקוי של מאפיינים אופטיים שונים של רקמות ביולוגיות23. עם זאת, שימוש בשני חומרים לא יכול מספיק לדמות טרוגניות אופטי רקמות ו anisotropy. לוריא ואח ' יצרה פנטום שלפוחית השתן עבור טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT) ו cystoscopy על ידי שילוב 3D הדפסה וציפוי ספין13. עם זאת, תכונות הטרוגנית של הפאנטום, כגון כלי דם, היו צריכים להיות צבועים ביד.

בין תהליכי ייצור הפאנטום לעיל, הדפסה תלת-ממדית מספקת את הגמישות הרבה ביותר להדמיית הטרוגניות הקונסטרוקטיבית והפונקציונלית של הרקמה הביולוגית. עם זאת, סוגים רבים של רקמות ביולוגיות, כגון רקמת העור, מורכבים מרכיבים רב שכבתית ומרובי קנה מידה שלא ניתן לשכפל ביעילות על-ידי תהליך הדפסת תלת-ממד יחיד. לכן, יש צורך בשילוב של תהליכי ייצור מרובים. אנו מציעים קו ייצור הדפסה תלת-ממדית המשלב תהליכי ייצור מרובים לייצור אוטומטי של שכבות מרובות ורקמות רב-שכבתית המדמה כסטנדרט ממעקב לדימות אופטי ביו-רפואי (איור 1). למרות הציפוי ספין, polyjet הדפסה, ו-FDM אוטומטי בתוך קו ייצור הדפסה תלת-ממד שלנו, כל מודאליות שומרת את המאפיינים הפונקציונליים אותו כמו התהליכים הקבועים. לפיכך, נייר זה מספק מנחה כללי להפקת מטוסי פאנטום מרובי שכבות, רב שכבתית והטרוגנית, ללא צורך בשילוב פיזי של תהליכים מרובים במנגנון אחד.

Figure 1
איור 1: דיאגרמת CAD של קו ייצור ההדפסה התלת-ממדית. (א) קו ייצור ההדפסה התלת-ממדית עם המעטפת העליונה הוסר. (ב) הסכמטי של מודול ציפוי הסחרור ומודול היד המכני. (ג) סכימטי של מודול הדפסה polyjet. (ד) הסכמטי של מודול ההדפסה fdm (מנורת UV שייך מודול הדפסה polyjet). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת חומרים להדפסת תלת-ממד

הערה: קו ייצור הפאנטום האופטי שלנו משתמש במגוון חומרי הדפסה כדי לדמות את הטרוגניטים המבוריים והפונקציונליים של רקמות ביולוגיות. הבחירה של חומרי ההדפסה תלויה גם בתהליכי הייצור.

  1. הכנה חומרית להדפסת ציפוי
    1. הוסף 100 מ"ג של טיטניום דו-חמצני (TiO2) אבקה לתוך גביע המכיל 100 מ ל של השרף סטריאואוליתוגרפיה (SLA) photopolymer.
    2. מערבבים את התערובת בגביע במשך 30 דקות על מערבב מגנטי.
    3. חותם את הגביע עם נייר כסף וsonicate אותו במכונת אולטרה סאונד עבור 15 דקות.
    4. ואקום החומר עבור 10 דקות ולטעון אותו לתוך מזרק אחסון של המכשיר.
  2. הכנה חומרית להדפסת פוליג'ט
    1. להוסיף 17.56 g של 2-הידרוxy-2-methylpropiophenone (1-הידרוקסיציקלוקיקסיל פניק קטון) לתוך הגביע המכיל 80 g של טריאתילן גליקול dimethמאוחר כדי לקבל 18% (w/w) חומר.
    2. חותם את הגביע עם נייר כסף וsonicate אותו במכונת אולטרה סאונד עבור 15 דקות.
    3. קח את 20 מ ל של התערובת ולהוסיף 5 מ ג של הצבע הסיני מסיסים בשמן אדום לתוך זה. חזור על שלב ה1.2.2.
    4. ואקום כל החומרים, לטעון את הפתרון עם צבע לתוך המחסניות עבור הערוץ Y (צהוב), ולטעון את הפתרון הטהור לתוך מחסניות עבור ערוץ K (שחור).
  3. הכנה חומרית להדפסת FDM
    1. טען 200 גרם של שעווה ג'ל לתוך כל אחד משלושה כוסות ולאחר מכן לחמם אותם 60 ° צ' על מערבב מגנטי.
    2. להוסיף 600 mg TiO2 אבקה לתוך הגביע הראשון. להוסיף 80 מ"ג של אבקת גרפיט לתוך השני.
    3. מערבבים את שעווה ג'ל מעורבב עם TiO2 ו ג'ל שעווה מעורבב עם אבקת גרפיט בספלים שונים עבור 30 דקות על המערבב מגנטי.
    4. ואקום שלושה חומרים שונים עבור 2 דקות ולטעון אותם לתוך הבלטת ממד של מודול היברידית-שלוש-זרבובית לפני מיצוק.

2. הכנת דגמי מחשב להדפסת תלת-ממד מרובת מודאליים

הערה: רקמת העור הטרוגנית היא פשוטה לשלוש שכבות: אפידרמיס, dermis, ורקמות תת עורית. שכבת האפידרמיס מופק על ידי ציפוי ספין באמצעות החומר הציג בשלב 1.1. השכבה דרמיס מופק על ידי הדפסה polyjet באמצעות פולימר לאור הציג בשלב 1.2. שכבת רקמת תת עורית מופק על ידי FDM באמצעות החומר הציג בשלב 1.3. קובץ אב-טיפוס של עיצוב בעזרת מחשב (CAD) של פרמטרי הדפסה שונים נוצר כדי להנחות את תהליכי הייצור הנ ל.

  1. עיצוב של פנטום אופטי דיגיטלי לעור
    1. עיצוב פנטום העור עם שלוש השכבות הבאות: שכבת אפידרמיס של 100 יקרומטר עבה, דרמיס שכבה של 400 יקרומטר עבה, ו רקמה תת עורית של 1 ס מ עובי.
    2. לצייר מודל הגידול באמצעות חבילת תוכנה מידול 3D (למשל, Solidworks) (איור 5א).
  2. הגדרת פרמטר עבור ציפוי ספין
    1. הגדר את הפרמטרים של מהירות מסתובבת ומשך בתוכנת הבקרה של התקן ההדפסה. מהירות ציפוי ספין השלב הראשון המשמש בהפגנה זו היא 200 מהפכות לדקה (rpm), הזמן ציפוי ספין הוא 20 s, את המהירות בציפוי ספין השלב השני הוא 1,000 rpm, ואת הזמן ציפוי ספין הוא 40 s.
    2. להגדיר את כמות חומר ציפוי ספין כמו 3 מ ל ואת הזמן של ריפוי באור כמו 180 s בתוכנת הבקרה.
  3. הכנת קובץ המקור להדפסת פוליג'ט
    1. יבא את התמונה כלי הדם להיות מודפס לתוך חבילת תוכנת AcroRIP צבע ולהגדיר את הפרמטרים (מיקום ההדפסה וכמות הזרקת דיו) על פי הקשר בין הפרמטרים האופטיים של הפאנטום המודפס ואת מאפייני התמונה. בתמונה זו של כלי הדם המודפס, ערוץ K נטען עם חומר צילום שקוף לריפוי, ו-Y ערוץ הוא נטען עם חומר פוטולריפוי מעורבב עם צבע אדום סיני.
    2. צור קובץ ". prn" עם פרמטרים שהוגדרו עבור הדפסת תלת-ממד.
  4. הכנת קוד G עבור הדפסת FDM
    1. צייר מודל frustum עם חבילת תוכנה מיפוי תלת-ממד (g. Solidworks) לדמות גידול.
    2. יבא את הקובץ ". stl" של מודל הגידול לתוך חבילת תוכנה של Cura שהותקנה באמצעות קובץ script של חיתוך חרירים של כל אחד.
    3. פורסים את הדגם כדי ליצור את קוד ה-G הנדרש להדפסה.
  5. טעינת המסמכים בתוכנת בקרת ההדפסה
    1. לחץ על "קובץ" פריט תפריט בשורת התפריטים, בחר "ייבוא קובץ uv הדפסה" פריט תפריט המשנה, וטען את הדפסת uv "קבצים שהוצגו בשלב 2.3.
    2. טען את קוד G שנוצר בשלב 2.4 לתוך תוכנת בקרת ההדפסה כמו בשלב 2.5.1.
    3. לחצו על הלחצן ' התחל הדפסה ' כדי להפעיל את השגרה האוטומטית להדפסה תלת-ממדית.

3. הדפסת שכבת האפידרמיס של העור מרכיב פנטום על ידי ציפוי ספין

הערה: מודול ציפוי ספין מורכב בעיקר משלושה חלקים: 1) מונה ספין; 2) מתקן דבק; ו-3) מנורת UV.

  1. הזיזו את המצע בתחנת ההעמסה לשלב המדגם של הקוטר הטווח בעזרת יד מכנית. הפעל את משאבת ואקום לתקן את המצע על ידי adsorption.
  2. מנפק דבק שולט המזרק כדי לטפטף את החומר הציג בשלב 2.2.2 במרכז המצע.
  3. מעבד הטווח מתחיל לעבוד בעקבות פרמטרי המהירות והשעה של set.
  4. הנח את המנורה UV (אורך הגל: 395 ננומטר) ולהפעיל אותו עבור 180 s.
  5. הרם את מנורת ה-UV, כבה את הסחרור, והדפס את שכבת האפידרמיס של העור.

4. הדפסת העור דרמיס מרכיב פנטום על ידי ריבוי

הערה: מודול ההדפסה polyjet מורכב זרבובית הזרקת דיו פיזואלקטריים, פלטפורמה ניידת תלת מימדי, לוח בקרה, ומנורת UV (מרקורי מנורה). חומר הצילום המבוסס על הממס, חומר הקליטה וחומר הפיזור משמשים כמטריצה. פרמטרים אופטיים שונים מתקבלים על-ידי ריסוס חומרים בפרופורציות שונות באזורים שונים. לבסוף, פנטום דרמיס שכבה מודפס ונרפא שכבה אחר שכבה.

  1. הזז את המצע לפלטפורמה הניידת 3d ופתח את שסתום היניקה כדי ספוח המצע על הפלטפורמה.
  2. הפלטפורמה הניידת 3D מחזיקה את המצע למיקום הראשוני של מדפסת UV.
  3. לחץ על מדפסת הזרקת הדיו למיקום העבודה על-ידי הצילינדר, ומדפסת הזרקת הדיו פועלת בזמן שצוין בקובץ ". prn" שנשלח על-ידי המחשב המארח. כאן, אות הזנת הנייר של מדפסת הזרקת הדיו משמש לכונן התנועה של הפלטפורמה הניידת של ציר Y.
  4. מדפסת הזרקת הדיו מדפיסה את השכבה המעוצבת בשלב 2.5.1 והצילינדר דוחף את מדפסת הזרקת הדיו חזרה למיקום המקורי. ציר Y של פלטפורמת ההזזה התלת-ממדית הממוקמת עם המצע מאותחל על-ידי העברה למיקומה ההתחלתי.
  5. המצע מזיז 50 מ"מ בכיוון החיובי של ציר ה-Y. המנורה UV הוא נדחף למטה על ידי גליל (10 מ"מ מעל המצע).
  6. הפעל את מנורת UV עבור 180 s בהתאם להגדרת זמן הריפוי.
  7. לדחוף את המנורה UV למיקום הראשוני עם הצילינדר. ציר Y של הפלטפורמה הניידת התלת-ממדית הממוקמת עם המצע מאותחל ומוחזר למיקומו ההתחלתי.
  8. להעביר את פלטפורמת 3D ניידים ממוקם עם מצע למטה על ידי 0.1 מ"מ לאורך ציר Z.
  9. חזור על שלבים 4.1 – 4.8 כדי להדפיס את השכבה הבאה עד להשלמת ההדפסה הרובת שכבות.

5. הדפסת רכיב הדמה של הרקמה התת עורית באמצעות FDM

הערה: מודול ה-FDM מורכב ממודול בעל שלושה ראשים, מודול בעל ראש יחיד ופלטפורמה ניידת תלת-ממדית. השעווה ג'ל, החומר הסופג, ואת החומר פיזור משמשים חומרי גלם כדי להכין פנטום המדמה רקמה/גידול תת עורית. שעוות ג'ל מחומם ונמס במזין. מעורבב בצורה אחידה על ידי ראש ההבלטה, הוא הבלטה כדי להדפיס את הפאנטומים הסופיים עם הפרמטרים האופטיים הרצויים.

  1. הפעל את עוצמת החימום של מודול החרירים והגדר את הטמפרטורה ל-60 ° c.
  2. הזז את זרבובית ערבוב לתנוחת העבודה על ידי דחיפת הצילינדר.
  3. מודול FDM מקבל את פקודות ה-G הנשלחות על-ידי המחשב המארח, והחרירים המערבב מחוממים עד 68 ° c.
  4. הפעל את מנוע העצבנות וערבב היטב את החומרים.
  5. אתחל את הפלטפורמה הניידת התלת-ממדית וצירי XYZ עוברים למיקום ההתחלתי.
  6. תהליך ההדפסה מתבצע לאחר הפקודות של קוד G. בתהליך הדפסה של שכבה אחר שכבה, החומרים משטים בפרופורציה ליחס ערבוב שקובע את הפרמטרים האופטיים של הפאנטום בכל שכבה. ההדפסה ממשיכה עד שהחלק של הרקמה התת עורית או חלק הגידול מודפס במלואו.
  7. הזז את מודול החרירים ערבוב למיקום ההתחלתי על ידי דחיפת גליל.
    התראה: מכיוון שלאבקת גרפיט יש ספיגת אור חזקה, הוא צריך להיות מעורב בצורה אחידה ככל האפשר כדי למנוע שינויים בפרמטרים האופטיים המושרה על ידי צבירה. TiO2 אבקת גודל החלקיקים גדול מזרז בקלות משפיע על דיוק המיקום החומר, אז יש צורך לערבב את זה במלואו. TiO2 יש להחליף אם מאוחסן במשך זמן רב.

6. העברת המצע חזרה לתחנת ההעמסה

  1. אתחל את הפלטפורמה הניידת התלת-ממדית והעבר את הציר XYZ למיקום ההתחלתי. הזיזו את הפלטפורמה הניידת התלת-ממדית למיקום המעבר.
  2. הזיזו את היד המכנית למצב שמעל המצע על ידי דחיפת הצילינדר.
  3. להרים את המצע ולהעביר אותו מעל תחנת הטעינה עם היד המכנית. הצב את המצע על תחנת הטעינה והשלם את ההדפסה האוטומטית.

7. יציקת הרקמה התת-עורית של השכבה על ידי דפוס

הערה: אם מודל הגידול עבור פנטום מיועד, יהיה צורך להטיל את הפנטום כולו על ידי שפיכת polydiמתיל siloxane (PDMS) מחוץ לגידול. שלבים 7.1 – 7.3 אינם נדרשים עבור מודול FDM להדפיס שכבת רקמה תת עורית ללא גידול.

  1. לחץ על מצע עם תבנית מלבנית מודפסת תלת-ממדית.
  2. יוצקים את ה-PDMS הנוזלי לתבנית.
  3. מניחים את המצע בחממה ומאחסנים ב60 ° c עבור 2 h.
  4. להסיר את הפנטום מן המצע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

פנטום מפוברק על ידי ציפוי ספין
ציפוי ספין שווה מפיץ את טיפות על המצע על ידי סיבוב הפטיפון, ושכבה אחת של הגוף המקורי מפוברק לאחר הריפוי. המהירות המסתובבת של המצע והזמן של סיבוב לא רק להשפיע על איכות פני השטח של הפנטום, אלא גם לקבוע את העובי של כל שכבה של הפנטום. הפאנטום של עוביים שונים יכול להיות מפוברק על ידי ציפוי ספין חוזר שכבה-אחר-שכבה. ניתן לקבוע את הפרמטרים האופטיים של הפאנטומים על-ידי שינוי שיעור הפיזור וחומרי הספיגה, כפי שמתואר בפרסום הקודם שלנו24. הגדלת הריכוז TiO2 ב שרף פוטולריפוי יגדיל את מקדם הפיזור של הפנטום. בהתחשב בכך ציפוי ספין יש דיוק של 0.01 מ"מ והאפידרמיס העור הוא בין 0.04 – 1.6 מ"מ עבה, התהליך מספק את הדרישה להדמיית העור אפידרמיס (איור 2).

Figure 2
איור 2: פנטום שכבה אחת מפוברק על ידי ציפוי ספין. (A) את החומר pdms מתווסף 50% בוטיל בובובוהן אלכוהול ספין מצופה ב 3,000 rpm עבור 40 s לטופס פנטום שכבה אחת. עובי הפנטום הוא 10 ± 1 יקרומטר כפי שנמדד על ידי OCT. (ב) היחסים בין העובי השגה של הסרט pdms ואת מהירות הספין בזמנים שונים ספינינג. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

פנטום המציא על ידי הדפסה polyjet12
חומרים לריפוי אור מערוצים שונים מעורבבים עם חלקיקים אופטיים שונים ומודפסים על ידי פיזואלקטריים דפסות על מצע על פי קובץ ". prn". שכבה אחת של הפנטום מושגת לאחר הריפוי. הרזולוציה של מדפסת polyjet הוא 18 יקרומטר x 18 יקרומטר x 10 יקרומטר (אורך x רוחב x גובה), הרזולוציה של היעד של פלטפורמת הסלולר הוא 1 יקרומטר, ואת החרירים תומך ארבעה סוגים שונים של חומרי הדפסה. רמת הדיוק של מישור ההדפסה היא 50 μm, ועובי כל שכבה נקבע לפי כמות החומרים שיוצאו. כמו כמות הפליטה של ערוץ יחיד מוגדר ב 60%, עובי ממוצע של כל שכבה הוא 100 ± 10 μm. השכבה דרמיס של רקמת העור הוא בדרך כלל בין 0.4 – 2.4 מ"מ עבה, ואת מודול הדפסת הזרקת דיו הוא מסוגל להגיע רזולוציה עובי של 100 μm. כלי הדם האפידרמלים מדומים בערבוב חומרי ההדפסה עם צבע אדום סיני (איור 3).

Figure 3
איור 3: סימולציות כלי הדם המודפסות על ידי הדפסת פוליג'ט. (א) תמונה של כלי דם עבור קווי הדפסה מחקה כלי דם. (ב) הקווים מחקה כלי דם המודפסים על נייר לבן, היכן שהנייר קבוע על מצע הפלטפורמה הניידת התלת-ממדית בתהליך ההדפסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

פנטום מפוברק על ידי הדפסה FDM
שעווה ג'ל מעורבב עם אבקת גרפיט ואבקת TiO2 ומודפס בצורה הרצויה על ידי הדפסה fdm. השגיאה הממדי בכיוון האופקי של הפאנטום היא פחות מ-1%. אורך לרוחב של הפנטום חורג 20 מ"מ, התכונה המינימלי להדפסה היא 1 מ"מ, ואת הטווח המודפס הוא 100 mm x 100 mm x 20 מ"מ. בליעה ופיזור הפרמטרים של פנטום תלוי ביחס של TiO2 ו גרפיט אבקת בתוך. איור 4 מציג פאנטומים של גדלים שונים של תכונות מודפס על ידי הדפסת fdm באמצעות שעווה ג'ל ללא TiO2 ו גרפיט אבקה. אנחנו יכולים לשנות את היחס של TiO2 כדי אבקת גרפיט במהלך ההדפסה, ובכך הרכיבו פאנטומים פרמטרים שונים של קליטה ופיזור, כולל מעברי צבע (איור 4ב). את הקורלציה של מערכי הקליטה והפיזור עם היחס של TiO2 כדי אבקת גרפיט ניתן למצוא את ההפניות24.

Figure 4
איור 4: תוצאות הדפסת FDM. (A) שמונה שכבות 40 mm x 40 מ"מ x 0.4 מודל מתחת לשכבה עם צבעהדרגתי. (ב) הדרגתי פנטום מושגת על ידי הדפסת שעווה ג'ל מעורבב עם TiO2 ו גרפיט אבקת גרפית בקנה מידה הדרגתי. (ג) מודל CAD בצורה מרובת פינות. (ד) דגם מרובה-פינות שהודפס. הימנית התחתונה של התמונה היא התוצאה הנמדדת תחת מיקרוסקופ תצוגה קדמית. תכונת ההדפסה המינימלית של FDM היא 1 מ"מ. (E) פאנטום מודפס במודול fdm. (ו) התוצאות שנמדדו מציינות שהווריאציה בגודל קטנה מ-1% כאשר הממד הרוחבי הוא מעל 20 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

פנטום מפוברק על ידי קו ייצור אוטומטי הדפסה
על ידי שילוב שלוש שיטות ההדפסה לעיל ובעקבות הפרוטוקול הנ ל, מערכת קו הייצור הוא מסוגל לייצר פנטום הדמיית גידול. לקיחת מודל עור פשוט כדוגמה, שכבת האפידרמיס, שכבת דרמיס, ואת שכבת רקמה תת עורית עם עוביים שונים ותכונות אופטיות מיוצרים על ידי ציפוי ספין, הדפסה polyjet, ו fdm הדפסה, בהתאמה. לכן, האפשרות של שילוב ציפוי ספין, הדפסה polyjet, ו FDM הדפסה כדי לייצר פאנטומים אופטיים אומת, והמערכת היתה מסוגלת לייצר פאנטומים אופטיים רקמות עם מאפיינים אופטיים מדומה ומבניים (איור 5, איור 6).

Figure 5
איור 5: מפוברק העור מרובה שכבות עם גידול מוטבע. (א) תרשים סכמטי של מבנה רב שכבתי של פנטום הגידול, כולל אחד ספין מצופה שכבה, שבעה שכבות פוליג'ט מודפס (כולל שלוש שכבות שקופות ושלוש שכבות של שכבות כלי הדם, ושכבה אחת נפוצה, ו fdm אחד גידול המודפס). הימנית התחתונה של התמונה היא עיבוד סכמטי של הפאנטום. (ב) פנטום בצד שמאל יש שני גידולים מוטבעים ואת הימנית יש גידול מוטבע אחד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: בדיית העור שכבות מרובה מחקה פאנטומים. (A) פנטום עור רב שכבתי המודפס על וופל סיליקון מורכב שכבת ציפוי ספין, שכבת הדפסה polyjet, ו fdm שכבת הדפסה מלמטה למעלה. (ב) מבט חזיתי של הפאנטום המוטבע בחריצים כמו כלי דם על פני השטח שלו. (ג) דימוי מיקרוסקופי של חתך הפאנטום המראה את הרבדים השונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בייצור של פנטום מרובה שכבות, החומר המשמש ציפוי ספין הוא סוג של חומר לריפוי קל במקום PDMS. שכבת הביניים מודפסת עם שיטת ההדפסה polyjet, אשר משתמשת שרף לריפוי באור כמו חומר גלם. למרות שפאנטומים מסוג PDMS דקים יכולים להתבצע על ידי ציפוי ספין לאחר הוספת אלכוהול tert-בוטיל, שכבת PDMS אינה יכולה לאגד ביעילות את החומר לריפוי באור במהלך הדפסה polyjet. לכן, בחרנו שרף בריפוי קל לציפוי ספין.

כיום, רק שני חומרים זמינים עבור הדפסה polyjet. התוספת של TiO2 אבקת דיו הודי לחומר לריפוי האור מדמה את המאפיינים האופטיים של דרמיס שכבה, אשר ניתן להוסיף למערכת בעבודה העתידית.

עבור הדפסה FDM, החומרים צריך להיות מעורב ביסודיות לפני שחול. לכן, עיכוב התהליך עקב ערבוב עשוי להיות ארוך יותר מאשר תהליך ההדפסה FDM המסורתי. התנועה של המצע על פלטפורמת 3D נייד מתעכב גם בזמן המתאים במהלך ההדפסה. כדי להדפיס פאנטומים עם צורות מורכבות, יש לשפר את השליטה בהשהיה.

השלב האחרון בייצור של פנטום. המדמה הגידול הוא ליהוק למעשה, בעיצוב של מכלול החרירים, משמש זרבובית נוספת להזרקת חומר רביעי. עם זאת, השליטה של תהליך התנועה של פלטפורמת 3D ניידים היא מסובכת, ואת הזרבובית עלולה להרוס את המודל המקורי הגידול. ניתן לשפר זאת על-ידי עיצוב תוכנית בקרת התנועה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

העבודה נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (גרנט Nos. 11002139 ו-81327803) וקרנות המחקר הבסיסיות של האוניברסיטאות המרכזיות. אנו מודים לזאכרי J. סמית של אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה למתן קריינות קול.

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