Author Produced

Biyolojik Doku Simüle Etmek Için Hayaletlerin Multimodal 3D Baskısı

* 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

Spin kaplama, polijet baskı ve erimiş biriktirme modelleme biyolojik doku yapısal ve fonksiyonel özelliklerini taklit çok katmanlı heterojen hayaletler üretmek için entegre edilmiştir.

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

Biyomedikal optik görüntüleme çeşitli hastalıkların tanı ve tedavisinde önemli bir rol oynamaktadır. Ancak, bir optik görüntüleme cihazının doğruluğu ve tekrarlanabilirliği bileşenlerinin performans özelliklerinden, test ortamından ve operasyonlardan büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, izlenebilir hayalet standartlara göre bu cihazların kalibre etmek gereklidir. Ancak, mevcut hayaletlerin çoğu biyolojik dokunun multimodal ve dinamik özelliklerini taklit edemez homojen hayaletler vardır. Burada, bir spin kaplama modülü, bir polyjet modülü, erimiş bir biriktirme modelleme (FDM) modülü ve otomatik kontrol çerçevesi entegre bir üretim hattı kullanarak heterojen doku simüle hayaletler imalatı göstermektedir. "Dijital optik hayalet"in yapısal bilgileri ve optik parametreleri, üretim hattına aktarılan bir prototip dosyasında tanımlanır ve farklı baskı yöntemleri arasında sıralı geçiş le katman katman üretilir. Böyle bir üretim hattının teknik yeteneği epidermis, dermis, deri altı doku ve gömülü bir tümör oluşturan deri simüle hayaletler otomatik baskı ile örneklenir.

Introduction

Biyomedikal optik görüntüleme, biyolojik doku ile ışık etkileşimlerine dayalı hastalıkları ve doku anomalilerini tespit eden tıbbi görüntüleme araçları ailesini temsil eder. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve bilgisayarlı tomografi (BT) gibi diğer görüntüleme yöntemleri ile karşılaştırıldığında, biyomedikal optik görüntüleme doku yapısal, fonksiyonel ve moleküler özelliklerin noninvaziv ölçüm yararlanarak düşük maliyetli ve taşınabilir cihazlar1,2,3,4. Ancak, maliyet ve taşınabilirlik teki üstünlüğüne rağmen, optik görüntüleme kısmen kötü tekrarlanabilirliği ve optik ve biyolojik parametreler arasında nicel haritalama eksikliği nedeniyle klinik tanı ve terapötik rehberlik için yaygın olarak kabul edilmemiştir. Bu sınırlamanın temel nedeni, biyomedikal optik görüntüleme cihazlarının nicel kalibrasyonu ve doğrulanması için izlenebilir standartların olmamasıdır.

Geçmişte, çeşitli doku simüle hayaletler çeşitli beyin5,6,7, cilt8,9,10,11,12, mesane13, ve meme dokuları14,15,16,17gibi çeşitli doku tipleri, biyomedikal optik görüntüleme araştırma için geliştirilmiştir. Bu hayaletler öncelikle aşağıdaki üretim süreçlerinden biri tarafından üretilmektedir: 1) spin kaplama10,18 (homojen ve ince katmanlı doku simüle için); 2)kalıplama 19 (geometrik özelliklere sahip hantal doku simüle için); ve 3) üç boyutlu (3D) baskı20,21,22 (çok katmanlı heterojen doku simüle için). Kalıplama ile üretilen deri fantomları cilt dokusunun toplu optik özelliklerini taklit edebiliyoruz ancak lateral optik heterojenlikleri taklit edemez19. Bentz ve ark. biyolojik doku23farklı optik özelliklerini taklit etmek için iki kanallı FDM 3D baskı yöntemi kullanılır. Ancak, iki malzeme kullanarak yeterince doku optik heterojenite ve aizotropi simüle edemez. Lurie ve ark. optik koherens tomografi (OKT) ve sistoskopi için 3D baskı ve spin kaplama birleştirerek bir mesane hayalet oluşturdu13. Ancak, kan damarları gibi hayaletheterojen özellikleri, el boyanması gerekiyordu.

Yukarıdaki hayali üretim süreçleri arasında, 3D baskı biyolojik doku yapısal ve fonksiyonel heterojenlikleri simüle etmek için en esneklik sağlar. Ancak, cilt dokusu gibi birçok biyolojik doku tipi, tek bir 3D baskı işlemi yle etkin bir şekilde çoğaltılamayan çok katmanlı ve çok ölçekli bileşenlerden oluşur. Bu nedenle, birden çok üretim süreçlerinin entegrasyonu gereklidir. Biyomedikal optik görüntüleme için izlenebilir bir standart olarak hayaletleri taklit eden çok katmanlı ve çok ölçekli dokunun otomatik üretimi için birden fazla üretim proseslerini entegre eden bir 3D baskı üretim hattı öneriyoruz(Şekil 1). Spin kaplama, polijet baskı ve FDM 3D baskı üretim hattımızda otomatik leştirilmiş olsa da, her modalite, belirlenen proseslerle aynı işlevsel özellikleri korur. Bu nedenle, bu makale, birden fazla sürecin tek bir cihazda fiziksel entegrasyonuna gerek kalmadan çok ölçekli, çok katmanlı ve heterojen doku simülasyonu hayaletleri üretmek için genel bir kılavuz sağlar.

Figure 1
Şekil 1: 3B baskı üretim hattının CAD diyagramı. (A) Üst kabuğu çıkarılan 3D baskı üretim hattı. (B) Spin kaplama modülü ve mekanik el modülü şeması. (C) Polijet baskı modülü şeması. (D) FDM baskı modülü şeması (UV lambası polijet baskı modülüne aittir). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 3D baskı için malzeme hazırlama

NOT: Optik hayalet üretim hattımız biyolojik dokunun yapısal ve fonksiyonel heterojenliklerini simüle etmek için çeşitli baskı malzemeleri kullanır. Baskı malzemelerinin seçimi de üretim süreçlerine bağlıdır.

  1. Spin kaplama baskı için malzeme hazırlama
    1. 100 mL stereolitografi (SLA) fotopolimer reçine içeren bir kabın içine 100 mg titanyum dioksit (TiO2)tozu ekleyin.
    2. Bir manyetik karıştırıcı üzerinde 30 dakika için kabın karışımı karıştırın.
    3. Folyo ile mühür ve 15 dakika boyunca bir ultrasonik makinede sonicate.
    4. Malzemeyi 10 dakika vakumlayın ve cihazın depolama şırıngasına yükleyin.
  2. Polyjet baskı için malzeme hazırlama
    1. % 18 (w / w) malzeme almak için trietilen glikol dimetakrilat 80 g içeren kabın içine 2-hidroksi-2-metilpropiophenone (1-hidroksikloheksil fenil keton) 17.56 g ekleyin.
    2. Folyo ile mühür ve 15 dakika boyunca bir ultrasonik makinede sonicate.
    3. Karışımın 20 mL alın ve içine yağda çözünen Çin kırmızı boya 5 mg ekleyin. Adımı 1.2.2'yi yineleyin.
    4. Tüm malzemeleri vakumlayın, çözeltiyi boyayla Y (Sarı) kanalındaki kartuşlara yükleyin ve saf çözeltiyi K (Siyah) kanalının kartuşlarına yükleyin.
  3. FDM baskı için malzeme hazırlama
    1. Üç gaganın her birine 200 g jel balmumu yükleyin ve manyetik bir karıştırıcı üzerinde 60 °C'ye ısıtın.
    2. İlk kabın içine 600 mg TiO2 tozu ekleyin. İkinci içine grafit tozu 80 mg ekleyin.
    3. TiO2 ve jel balmumu ile karıştırılarak karıştırın jel balmumu manyetik karıştırıcı üzerinde 30 dakika boyunca farklı behers grafit tozu ile karıştırılır.
    4. 2 dakika için üç farklı malzeme vakum ve katılaşma önce hibrid-üç-nozul modülü ekstrüder içine yükleyin.

2. Multimodal 3D baskı için bilgisayar modelleri hazırlama

NOT: Heterojen deri dokusu epidermis, dermis ve deri altı doku olmak üzere üç katmana ayrılır. Epidermis tabakası, adım 1.1'de tanıtılan malzeme kullanılarak spin kaplama ile üretilir. Dermis tabakası, adım 1.2'de tanıtılan ışığa duyarlı polimer kullanılarak polijet baskı ile üretilir. Subkutan doku tabakası FDM tarafından adım 1.3'te tanıtılan malzeme kullanılarak üretilir. Yukarıda belirtilen üretim süreçlerini yönlendirmek için farklı baskı parametrelerinden oluşan bir prototip bilgisayar destekli tasarım (CAD) dosyası oluşturulur.

  1. Cilt için dijital optik hayalet tasarımı
    1. Aşağıdaki üç tabaka ile deri hayalet tasarımı: 100 μm kalınlığında bir epidermis tabakası, 400 μm kalınlığında bir dermis tabakası ve 1 cm kalınlığında bir deri altı doku.
    2. 3D modelleme yazılım paketi (örneğin, Solidworks)(Şekil 5A)kullanarak bir tümör modeli çizin.
  2. Spin kaplama için parametre ayarı
    1. Yazdırma cihazının kontrol yazılımında dönen hız ve süre parametrelerini ayarlayın. Bu gösteride kullanılan ilk aşama spin kaplama hızı min başına 200 devir (rpm), spin kaplama süresi 20 s, ikinci aşama spin kaplama hızı 1.000 rpm ve spin kaplama süresi 40 s' dir.
    2. Spin kaplama malzemesi miktarını 3 mL ve ışık kürleme süresini kontrol yazılımında 180 s olarak ayarlayın.
  3. Polyjet baskı için kaynak dosyanın hazırlanması
    1. AcroRIP Color yazılım paketine basılacak kan damarı görüntüsünü alın ve yazdırılan hayaletlerin optik parametreleri ile görüntü özellikleri arasındaki ilişkiye göre parametreleri (baskı konumu ve mürekkep püskürtmeli miktarı) ayarlayın. Bu basılı kan damarı resimde, K kanalı şeffaf bir fotocurable malzeme ile yüklenir ve Y kanalı Çin kırmızı boya ile karışık bir fotocurable malzeme ile yüklenir.
    2. 3B yazdırma için tanımlanan parametreleri içeren bir ".prn" dosyası oluşturun.
  4. FDM baskı için G kodunun hazırlanması
    1. Bir tümörü simüle etmek için 3D haritalama yazılımı paketi (örneğin Solidworks) ile bir frustum modeli çizin.
    2. Tümör modelinin ".stl" dosyasını, hepsi bir arada bir enjektör lüzmal komut dosyasıyla yüklü bir Cura yazılım paketine aktarın.
    3. Yazdırma için gereken G kodunu oluşturmak için modeli dilimleyin.
  5. Belgelerin yazdırma kontrol yazılımına yüklenmesi
    1. Menü çubuğundaki "Dosya" menü öğesini tıklatın, "UV Yazdır Dosyasını Al" alt menü öğesini seçin ve adım 2.3'te tanıtılan UV baskı ".prn" dosyalarını yükleyin.
    2. Adım 2.4'te oluşturulan G kodunu 2.5.1 adımda olduğu gibi yazdırma kontrol yazılımına yükleyin.
    3. Otomatik 3B yazdırma yordamını başlatmak için Yazdırmayı Başlat düğmesini tıklatın.

3. Spin kaplama ile cilt epidermis tabakası hayalet bileşeni baskı

NOT: Spin kaplama modülü esas olarak üç bölümden oluşur: 1) bir spin coater; 2) bir tutkal dağıtıcı; ve 3) uv lambası.

  1. Yükleme istasyonundaki substratı mekanik bir el ile spin kaplamanın örnek aşamasına taşıyın. Adsorpsiyon ile substrat düzeltmek için vakum pompası başlatın.
  2. Tutkal dağıtıcısı substrat merkezinde adım 2.2.2 tanıtılan malzeme damlaşMak için şırınga kontrol eder.
  3. Spin coater ayarlanan hız ve zaman parametrelerini takip ederek çalışmaya başlar.
  4. UV lambasını (dalga boyu: 395 nm) indirin ve 180 s boyunca açın.
  5. UV lambasını kaldırın, spin-coater'ı kapatın ve cilt epidermisini yazdırın.

4. Polyjetting tarafından deri dermis tabakası hayalet bileşeni baskı

NOT: Polyjet baskı modülü piezoelektrik mürekkep püskürtmeli nozul, üç boyutlu mobil platform, kontrol paneli ve UV lambası (cıva lambası) içerir. Çözücü esaslı fotoküredilebilir malzeme, emme malzemesi ve saçılma malzemesi matris olarak kullanılır. Farklı bölgelerde farklı oranlarda malzemelerin püskürtülmesi ile farklı optik parametreler elde edilir. Son olarak, dermis katmanı hayalet yazdırılır ve katman katman tedavi edilir.

  1. Substratı 3B mobil platforma taşıyın ve platformdaki substratı adsorb etmek için emme valfini açın.
  2. 3B mobil platform, alt katmanı UV yazıcının ilk konumuna tutar.
  3. Mürekkep püskürtmeli yazıcıyı silindirin çalışma konumuna itin ve mürekkep püskürtmeli yazıcı ana bilgisayar tarafından gönderilen ".prn" dosyasında belirtilen süreyi çalışır. Burada, mürekkep püskürtmeli yazıcının kağıt besleme sinyali Y ekseni mobil platformun hareketini yönlendirmek için kullanılır.
  4. Mürekkep püskürtmeli yazıcı, adım 2.5.1'de tasarlanan katmanı yazdırır ve silindir mürekkep püskürtmeli yazıcıyı orijinal konuma geri iter. Substrat ile yerleştirilen 3B hareketli platformun Y ekseni ilk konumuna hareket ettirilerek başlatedilir.
  5. Substrat Y ekseninin pozitif yönünde 50 mm hareket eder. UV lambası silindir tarafından aşağı itilir (substrat üzerinde 10 mm).
  6. Uv lambasını kür leme süresine göre 180 s'ye açın.
  7. UV lambasını silindirle ilk konuma itin. Substrat ile yerleştirilen 3B mobil platformun Y ekseni başharfe çevrilmiş ve ilk konumuna geri döndürülür.
  8. Yüzey tabakasıyla yerleştirilen 3B mobil platformu Z ekseni boyunca 0,1 mm aşağı doğru hareket ettirin.
  9. Çok katmanlı yazdırma tamamlanana kadar bir sonraki katmanı yazdırmak için 4.1-4.8 adımlarını yineleyin.

5. FDM ile deri altı doku hayalet bileşeni baskı

NOT: FDM modülü hibrit üç başlı modül, tek başlı modül ve 3D mobil platformdan oluşmaktadır. Jel balmumu, emici malzeme ve saçılma malzemesi bir hayalet simüle deri altı doku / tümör hazırlamak için hammadde olarak kullanılır. Jel balmumu ısıtılır ve besleyici içinde eritilir. Ekstrüzyon kafası tarafından düzgün bir şekilde karıştırılarak, son hayaletlerin istenilen optik parametrelerle yazdırılması için ekstrüzyon yapılır.

  1. Nozul modülünün ısıtma gücünü açın ve sıcaklığı 60 °C'ye ayarlayın.
  2. Karıştırma nozülunu silindiri iterek çalışma konumuna taşıyın.
  3. FDM modülü ana bilgisayar tarafından gönderilen G kod komutlarını alır ve karıştırma başlığı 68 °C'ye kadar ısıtılır.
  4. Ajitasyon motorunu açın ve malzemeleri iyice karıştırın.
  5. 3B mobil platformu niçin başlattık ve XYZ eksenleri ilk konuma geçin.
  6. Yazdırma işlemi G kod komutları aşağıdaki yürütülür. Katman katman yazdırma işleminde, malzemeler her katmandaki hayaletin optik parametrelerini belirleyen karıştırma oranıyla orantılı olarak ekstrüzyon edilir. Baskı deri altı doku kısmı veya tümör kısmı tamamen basılmış kadar devam ediyor.
  7. Karıştırma nozul modüllerini silindiri iterek ilk konuma taşıyın.
    DİkKAT: Grafit tozu güçlü ışık emilimine sahip olduğundan, agregasyon tarafından indüklenen optik parametrelerde değişiklik önlemek için mümkün olduğunca düzgün karıştırılmalıdır. Büyük partikül boyutunda TiO2 tozu kolayca çökeltir ve malzeme yerleştirme doğruluğunu etkiler, bu nedenle tamamen karıştırmak için gereklidir. TiO2 uzun süre saklanırsa değiştirilmelidir.

6. Substratı yükleme istasyonuna geri taşıma

  1. 3B mobil platformu niçin başlattık ve XYZ eksenini ilk konuma taşıyın. 3B mobil platformu devir konumuna taşıyın.
  2. Silindiri iterek mekanik eli substrat üzerindeki konuma taşıyın.
  3. Substratı elinize ayırın ve mekanik elle yükleme istasyonu üzerinde hareket ettirin. Substratı yükleme istasyonuna yerleştirin ve otomatik baskıyı tamamlayın.

7. Döküm deri altı doku tabakası hayalet bileşeni kalıplama tarafından

NOT: Eğer hayalet için tümör modeli tasarlanmışsa, polidimethylsiloxane (PDMS) tümör dışına dökülerek tüm hayalet döküm gerekli olacaktır. FDM modülünün tümörsüz deri altı doku tabakasını yazdırması için 7.1-7.3 adımlarına gerek yoktur.

  1. 3D baskılı dikdörtgen kalıplı bir substrat üzerine basın.
  2. Kalıba sıvı PDMS dökün.
  3. Substratı bir kuvöze yerleştirin ve 60 °C'de 2 saat saklayın.
  4. Hayaleti alt tabakadan çıkarın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Spin kaplama ile imal edilen Phantom
Spin kaplama pikap döndürerek substrat üzerinde damlacıklar eşit dağıtır ve orijinal gövdenin tek bir tabaka kür sonra imal edilir. Substrat ve dönme süresinin dönme hızı sadece hayaletin yüzey kalitesini etkilemekle kalmıyor, aynı zamanda hayaletin her tabakasının kalınlığını da belirler. Farklı kalınlıklarda hayaletler, tekrarlayıcı spin kaplama katman katman ile imal edilebilir. Hayaletlerin optik parametreleri, bir önceki yayınımızda açıklandığı gibi, saçılma ve emme materyallerinin oranı değiştirilerek belirlenebilir24. Fotokürtif resintindeki TiO2 konsantrasyonunun artırılması hayaletin saçılma katsayısını artıracaktır. Spin kaplamanın 0,01 mm hassasiyete sahip olduğu ve cilt epidermisinin 0,04-1,6 mm kalınlığında olduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu işlem cilt epidermisinin simüle edilmesi gereksinimini karşılar (Şekil 2).

Figure 2
Şekil 2: Spin kaplama ile imal edilen tek katmanlı bir hayalet. (A) PDMS malzeme% 50 orantılı tert-bütil alkol eklenir ve spin-40 s için 3.000 rpm tek katmanlı hayalet oluşturmak için kaplı. Hayaletin kalınlığı, OCT ile ölçüldüğü üzere 10 ± 1 μm'dir. (B) PDMS filminin ulaşılabilir kalınlığı ile farklı eğirme zamanlarında dönüş hızı arasındaki korelasyonlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Polyjet baskı 12 ile imal Phantom
Farklı kanallardan gelen Hafif tedavi edilebilir malzemeler farklı optik parçacıklarla karıştırılır ve ".prn" dosyasına göre bir substrat üzerinde piezoelektrik mürekkep püskürtmeli lerle basılır. Hayaletin tek bir tabakası kürden sonra elde edilir. Polyjet yazıcının çözünürlüğü 18 μm x 18 μm x 10 μm (uzunluk x genişlik x yükseklik), mobil platformun konumsal çözünürlüğü 1 μm ve nozul dört farklı baskı malzeme sini destekler. Baskı düzleminin doğruluğu 50 μm'dir ve her bir tabakanın kalınlığı çıkarılan malzemelerin miktarına göre belirlenir. Tek bir kanalın fırlatma miktarı %60 olarak belirlendikçe, her bir katmanın ortalama kalınlığı 100 ± 10 μm'dir. Deri dokusunun dermis tabakası tipik olarak 0,4-2,4 mm kalınlığındadır ve mürekkep püskürtmeli baskı modülü 100 μm kalınlık çözünürlüğüne ulaşabilir. Epidermal kan damarları, baskı malzemelerinin Çin kırmızı boyası ile karıştırılmasıyla simüle edilir (Şekil 3).

Figure 3
Şekil 3: Polyjet baskı ile basılmış kan damarı simülasyonları. (A) Kan damarlarını taklit eden çizgileri basım için kan damarı resmi. (B) Kağıt baskı işleminde 3B mobil platformun alt tabakasına sabitlendiği beyaz bir kağıda basılmış kan damarlarını taklit eden çizgiler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Phantom FDM baskı tarafından imal
Jel balmumu grafit tozu ve TiO2 tozu ile karıştırılır ve FDM baskı ile istenilen şekilde basılır. Hayaletin yatay yönündeki boyutsal hata %1'den azdır. Hayaletin yanal uzunluğu 20 mm'yi, en az yazdırılabilir özelliği 1 mm ve yazdırılabilir aralık 100 mm x 100 mm x 20 mm'dir. Bir hayaletin emilimi ve saçılma parametreleri TiO2 ve grafit tozunun içindeki oranına bağlıdır. Şekil 4, TiO2 ve grafit tozu olmadan jel balmumu kullanılarak FDM baskı ile basılan farklı özellik boyutlarında hayaletler sunar. Baskı sırasında TiO2'nin grafit tozuna oranını değiştirebilir ve böylece degradeler de dahil olmak üzere farklı emilim ve saçılma parametrelerine ait hayaletler üretebiliriz (Şekil 4B). Emilim ve saçılma parametrelerinin TiO2 ile grafit tozu na oranı ile korelasyonunureferans24'tebulabilirsiniz.

Figure 4
Şekil 4: FDM baskı sonuçları. (A) Sekiz katmanlı 40 mm x 40 mm x 0.4 mm degrade renkli kübik model. (B) TiO2 ve grafit tozu ile karıştırılarak jel balmumu baskı ile elde edilen gradyan hayalet kademeli bir ölçekte. (C) ÇOK köşeşeklinde CAD modeli. (D) Çok köşeli model basılmış. Resmin sağ alt kısmı ön görünüm mikroskobu altında ölçülen sonuçtur. FDM'nin minimum baskı özelliği FDM modülünde basılan 1 mm. (E) Kübik fantomdur. (F) Ölçülen sonuçlar, yanal boyut 20 mm'nin üzerinde olduğunda boyut değişiminin %1'den az olduğunu göstermektedir.

Phantom otomatik baskı üretim hattı tarafından imal
Yukarıdaki üç baskı yöntemini entegre ederek ve yukarıda belirtilen protokolü izleyerek, üretim hattı sistemi tümör simüle edici bir fantom üretebiliyor. Örnek olarak basitleştirilmiş bir cilt modeli ele alınarak, epidermis tabakası, dermis tabakası ve farklı kalınlıklarda ve optik özelliklere sahip deri altı doku tabakası sırasıyla spin kaplama, polyjet baskı ve FDM baskı ile üretilir. Bu nedenle, optik hayaletler üretmek için spin kaplama, polyjet baskı ve FDM baskı birleştirme olasılığı doğrulandı ve sistem simüle optik ve yapısal özellikleri ile doku optik hayaletler üretmek başardı(Şekil 5, Şekil 6).

Figure 5
Şekil 5: Gömülü tümörlü çok katmanlı deri fantomları. (A) Bir spin kaplı tabaka, yedi polyjet baskılı tabaka (üç saydam tabaka ve üç kan damarı katmanı ve bir ortak tabaka ve bir FDM baskılı tümör dahil) dahil olmak üzere bir tümör hayalet, çok katmanlı bir yapının şematik bir diyagram. Resmin sağ alt kısmında hayalet bir şematik render olduğunu. (B) Soldaki hayaletin iki gömülü tümörü, sağdakinin ise gömülü bir tümörü vardır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Çok katmanlı deri taklit edici hayaletler üretiyor. (A) Silikon gofret üzerine basılmış çok katmanlı deri fantombir spin kaplama katmanı, bir polyjet baskı katmanı ve aşağıdan yukarıya bir FDM baskı tabakası oluşur. (B) Yüzeyinde kan damarı benzeri oluklar gömülü hayalet ön görünümü. (C) Hayaletin farklı katmanları gösteren bir kesitinmikroskobik görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Çok katmanlı hayaletin imalatında, spin kaplama için kullanılan malzeme PDMS yerine hafif tedavi edilebilir bir malzemedir. Ara katman, hafif kürlenebilir rekarni hammadde olarak kullanan polyjet baskı yöntemi ile yazdırılır. İnce PDMS fantomları tert-butil alkol ekledikten sonra spin kaplama ile yapılabilse de, pdms katmanı polijet baskı sırasında ışık la tedavi edilebilir malzemeye etkili bir şekilde bağlanamaz. Bu nedenle, spin kaplama için hafif kürebilir resin seçti.

Şu anda, polijet baskı için sadece iki malzeme mevcuttur. TiO2 tozu ve Hint mürekbinin ışık-tedavi edilebilir malzemeye eklenmesi dermis tabakasının optik özelliklerini simüle eder, bu da ileride yapılacak çalışmalarda sisteme eklenebilir.

FDM baskı için, malzemeler ekstrüzyondan önce iyice karıştırılmalıdır. Bu nedenle, karıştırma nedeniyle işlem gecikmesi geleneksel FDM yazdırma işlemine göre daha uzun olabilir. 3B mobil platformdaki substrat hareketi de baskı sırasında ilgili süre için geciktirilir. Karmaşık şekillere sahip hayaletleri yazdırmak için gecikmenin denetiminin iyileştirilmesi gerekir.

Tümör simüle eden hayaletin üretilmesindeki son adım dökümdür. Aslında, meme montaj tasarımında, ek bir meme dördüncü bir malzeme enjekte etmek için kullanılır. Ancak, 3D mobil platformun hareket sürecinin kontrolü karmaşıktır ve meme orijinal tümör modeli yok edebilir. Bu, hareket kontrol programının yeniden tasarlanmasıyla geliştirilebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant No. 11002139 ve 81327803) ve Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından desteklenmiştir. Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Zachary J. Smith'e seslendirme sağladığı için teşekkür ederiz.

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