Author Produced

Multimodale 3D-printen van Phantoms om biologisch weefsel te simuleren

* 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 coating, polyjet Printing, en gesmolten afzetting Modeling zijn geïntegreerd om gelaagde heterogene Phantoms te produceren die structurele en functionele eigenschappen van biologisch weefsel simuleren.

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

Biomedische optische beeldvorming speelt een belangrijke rol bij de diagnose en behandeling van verschillende ziekten. De nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van een optisch beeldvormings apparaat worden echter sterk beïnvloed door de prestatiekenmerken van de componenten, de testomgeving en de bewerkingen. Daarom is het noodzakelijk om deze apparaten te kalibreren door traceerbare Phantom-normen. De meeste van de momenteel beschikbare Phantoms zijn echter homogene Phantoms die multimodale en dynamische kenmerken van biologisch weefsel niet kunnen simuleren. Hier tonen we de fabricage van heterogene weefselsimulerende fantoms met behulp van een productielijn die een spin coating module, een polyjet module, een Fused depositie Modeling (FDM) module en een automatisch controlekader integreert. De structurele informatie en de optische parameters van een "digitale optische Phantom" zijn gedefinieerd in een prototype bestand, geïmporteerd naar de productielijn, en gefabriceerd laag-voor-laag met sequentiële schakelaar tussen verschillende druk modaliteiten. Technische bekwaamheid van een dergelijke productielijn wordt geïllustreerd door het automatisch printen van huid simulerende Phantoms die bestaan uit de epidermis, dermis, subcutaan weefsel en een ingesloten tumor.

Introduction

Biomedische optische beeldvorming vertegenwoordigt een familie van medische beeldvormings hulpmiddelen die ziekten en weefsel anomalieën detecteren op basis van lichte interacties met biologisch weefsel. In vergelijking met andere beeldvormings modaliteiten, zoals magnetische resonantie imaging (MRI) en computertomografie (CT), neemt biomedische optische beeldvorming het voordeel van niet-invasieve meting van weefsel structurele, functionele en moleculaire kenmerken met behulp van goedkope en draagbare apparaten1,2,3,4. Ondanks haar superioriteit in kosten en draagbaarheid, is optische beeldvorming echter niet algemeen aanvaard voor klinische diagnose en therapeutische begeleiding, deels vanwege de slechte reproduceerbaarheid en het gebrek aan kwantitatieve mapping tussen optische en biologische parameters. De belangrijkste reden voor deze beperking is het ontbreken van traceerbare normen voor kwantitatieve kalibratie en validering van biomedische optische beeldvormings apparaten.

In het verleden werd een verscheidenheid aan weefselsimulerende fantoms ontwikkeld voor biomedisch optisch beeldvormings onderzoek in verschillende weefsel typen, zoals hersenen5,6,7, huid8,9,10,11,12, blaas13en borstweefsels14,15,16,17. Deze Phantoms worden voornamelijk geproduceerd door een van de volgende fabricageprocessen: 1) spin coating10,18 (voor het simuleren van homogeen en dun-gelaagd weefsel); 2) molding19 (voor het simuleren van volumineus weefsel met geometrische kenmerken); en 3) driedimensionaal (3D) printen20,21,22 (voor simuleren gelaagde heterogene weefsel). Huid fantoms geproduceerd door molding zijn in staat om na te bootsen de bulk optische eigenschappen van huid weefsel, maar kan niet simuleren de laterale optische heterogeneities19. Bentz et al. gebruikte een tweekanaals FDM 3D-Printmethode om verschillende optische eigenschappen van biologisch weefsel na te bootsen23. Echter, met behulp van twee materialen niet voldoende weefsel optische heterogeniteit en anisotropie simuleren. Lurie et al. creëerde een blaas fantoom voor optische coherentie tomografie (OCT) en Cystoscopie door 3D-printen en spin coating te combineren13. Heterogene kenmerken van de Phantom, zoals bloedvaten, moesten echter met de hand worden geschilderd.

Onder de bovenstaande Phantom-fabricageprocessen biedt 3D-printen de meeste flexibiliteit voor het simuleren van de structurele en functionele heterogeneities van biologisch weefsel. Veel biologische weefsel typen, zoals huid weefsel, bestaan echter uit meerlaagse en multigeschaalde componenten die niet effectief kunnen worden gedupliceerd door één 3D-afdrukproces. Daarom is integratie van meerdere productieprocessen noodzakelijk. Wij stellen een 3D Printing productielijn voor die meerdere productieprocessen integreert voor de automatische productie van meerlaagse en multigeschaalde weefsel simulerende Phantoms als een traceerbare standaard voor biomedische optische beeldvorming (Figuur 1). Hoewel spin coating, polyjet Printing en FDM geautomatiseerd zijn in onze 3D Printing productielijn, behoudt elke modaliteit dezelfde functionele kenmerken als de gevestigde processen. Daarom biedt deze paper een algemene richtlijn voor het produceren van multi-geschaalde, gelaagde en heterogene weefselsimulatie fantoms zonder de fysieke integratie van meerdere processen in één apparaat.

Figure 1
Afbeelding 1: het CAD-diagram van de productielijn voor 3D-afdrukken. A) de productielijn voor 3D-printen met de bovenste schil is verwijderd. B) de schematische voorstelling van de spin coating module en de mechanische hand module. C) de schematische voorstelling van de polyjet-drukmodule. D) de schematische voorstelling van de fdm-print module (de UV-lamp behoort tot de polyjet Printing module). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. materialen voorbereiden voor 3D-printen

Opmerking: onze optische Phantom-productielijn gebruikt een verscheidenheid aan druk materialen om de structurele en functionele heterogeneities van biologisch weefsel te simuleren. De selectie van het afdrukmateriaal hangt ook af van de productieprocessen.

  1. Materiaal voorbereiding voor het afdrukken van spin coating
    1. Voeg 100 mg titaniumdioxide (TiO2) poeder toe aan een bekerglas met 100 ml van de stereolithografie (Sla) photopolymeer hars.
    2. Roer het mengsel gedurende 30 minuten in het bekerglas op een magneetroerder.
    3. Seal het bekerglas met Tinfoil Security en sonificeren het in een ultrasone machine gedurende 15 minuten.
    4. Vacuüm het materiaal gedurende 10 minuten en laad het in de opslag spuit van het apparaat.
  2. Materiaal voorbereiding voor het printen van polyjet
    1. Voeg 17,56 g 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (1-hydroxycyclohexyl fenyl keton) toe aan het bekerglas met 80 g triethyleen glycol dimethacrylaat om 18% (w/w) materiaal te krijgen.
    2. Seal het bekerglas met Tinfoil Security en sonificeren het in een ultrasone machine gedurende 15 minuten.
    3. Neem 20 mL van het mengsel en voeg 5 mg van de olie-oplosbare Chinese rode kleurstof erin. Herhaal stap 1.2.2.
    4. Zuig alle materialen op, laad de oplossing met kleurstof in de cartridges voor het Y (gele) kanaal en laad de zuivere oplossing in de cartridges voor het K (Black)-kanaal.
  3. Materiaal voorbereiding voor FDM Printing
    1. Laad 200 g gel Wax in elk van de drie bekers en verwarm ze vervolgens tot 60 °C op een magneetroerder.
    2. Voeg 600 mg TiO2 poeder toe aan het eerste bekerglas. Voeg 80 mg grafiet poeder toe aan de tweede.
    3. Roer de gel Wax gemengd met TiO2 en gel Wax gemengd met grafiet poeder in verschillende bekers voor 30 min op de magnetische roerder.
    4. Vacuüm de drie verschillende materialen gedurende 2 min en laad ze in de extruder van de hybride-drie-sproeier module voor stollen.

2. computermodellen voorbereiden voor multimodale 3D-printen

Opmerking: het heterogene huid weefsel wordt vereenvoudigd tot drie lagen: epidermis, dermis en subcutaan weefsel. De epidermis laag wordt geproduceerd door spin coating met behulp van het materiaal geïntroduceerd in stap 1,1. De dermis-laag wordt geproduceerd door polyjet Printing met behulp van het fotogevoelige polymeer geïntroduceerd in stap 1,2. De onderhuidse weefsellaag wordt geproduceerd door FDM met behulp van het in stap 1,3 geïntroduceerde materiaal. Er wordt een CAD-bestand (prototype computer aided design) met verschillende afdrukparameters gegenereerd om de bovengenoemde fabricageprocessen te begeleiden.

  1. Ontwerp van een digitale optische Phantom voor de huid
    1. Ontwerp de skin Phantom met de volgende drie lagen: een epidermis laag van 100 μm dik, een dermis laag van 400 μm dik en een subcutaan weefsel van 1 cm dik.
    2. Teken een tumor model met behulp van een softwarepakket voor 3D-modellering (bijv. SolidWorks) (Figuur 5a).
  2. Parameter instelling voor spin coating
    1. Stel de parameters van de roterende snelheid en duur in de besturingssoftware van het afdrukapparaat in. De eerste-fase spin coating snelheid gebruikt in deze demonstratie is 200 omwentelingen per min (rpm), de spin coating tijd is 20 s, de snelheid in de tweede fase spin coating is 1.000 rpm, en de spin coating tijd is 40 s.
    2. Stel de hoeveelheid spin coatingmateriaal in als 3 mL en de tijd van lichtuithardend als 180 s in de besturingssoftware.
  3. Voorbereiding van het bronbestand voor polyjet Printing
    1. Importeer de bloedvat afbeelding die moet worden afgedrukt in het AcroRIP Color softwarepakket en stel de parameters in (afdrukpositie en inkjetbedrag) op basis van de relatie tussen de optische parameters van de gedrukte Phantoms en de beeld eigenschappen. In dit afgedrukte bloedvat beeld wordt het K-kanaal geladen met een transparant fotocurabel materiaal en het Y-kanaal wordt geladen met een fotocurabel materiaal vermengd met Chinese rode kleurstof.
    2. Genereer een ". prn"-bestand met parameters die zijn gedefinieerd voor 3D-printen.
  4. Voorbereiding van G-code voor FDM Printing
    1. Teken een afgeknotte piramidemodel met een 3D mapping softwarepakket (bijv. SolidWorks) om een tumor te simuleren.
    2. Importeer het ". stl" bestand van het tumor model in een Cura softwarepakket geïnstalleerd met een all-in-One nozzle snijden script.
    3. Snijd het model bij om de G-code te genereren die vereist is voor afdrukken.
  5. Laden van de documenten aan de print Control software
    1. Klik op het menu-item "bestand" in de menubalk, selecteer het submenu "import UV print file" en laad de UV Printing ". prn"-bestanden die zijn geïntroduceerd in stap 2,3.
    2. Laad de G-code die in stap 2,4 is gegenereerd in de print Control-software zoals in stap 2.5.1.
    3. Klik op de knop afdrukken starten om de automatische 3D-afdrukprocedure te starten.

3. het afdrukken van de skin epidermis Layer Phantom component door spin coating

Opmerking: de spin coating module bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: 1) een spin coater; 2) een lijm dispenser; en 3) een UV-lamp.

  1. Beweeg het substraat op het laadstation naar de monster fase van de spin coater met een mechanische hand. Start de vacuümpomp om het substraat te fixeren door adsorptie.
  2. De lijm dispenser regelt de spuit om het materiaal dat in stap 2.2.2 in het midden van het substraat is geïntroduceerd, te druppelen.
  3. De spin coater begint te werken na de ingestelde snelheid en tijd parameters.
  4. Zet de UV-lamp neer (golflengte: 395 nm) en zet hem aan voor 180 s.
  5. Til de UV-lamp op, schakel de spin-coater uit en druk de skin epidermis laag af.

4. het afdrukken van de skin dermis Layer Phantom component door poly jetting

Opmerking: de polyjet Printing module bestaat uit een piëzo-elektrisch inkjetmondstuk, een driedimensionaal mobiel platform, een bedieningspaneel en een UV-lamp (Mercury-lamp). Het oplosmiddel gebaseerde fotocurable materiaal, absorptiemateriaal, en verstrooiing materiaal worden gebruikt als een matrix. Verschillende optische parameters worden verkregen door het spuiten van materialen in verschillende verhoudingen in verschillende regio's. Ten slotte wordt de dermis-laag Phantom afgedrukt en laag-voor-laag uitgehard.

  1. Verplaats het substraat naar het 3D mobiele platform en open de aanzuigklep om de ondergrond op het platform te adsorberen.
  2. Het 3D mobiele platform houdt de ondergrond op de oorspronkelijke positie van de UV-printer.
  3. Duw de inkjetprinter in de werkpositie door de cilinder en de inkjetprinter werkt de tijd die is opgegeven in het ". prn"-bestand dat door de hostcomputer wordt verzonden. Hier wordt het papierinvoersignaal van de inkjetprinter gebruikt om de beweging van het Y-as mobiele platform te stimuleren.
  4. De inkjetprinter drukt de in stap 2.5.1 ontworpen laag af en de cilinder duwt de inkjetprinter terug naar de oorspronkelijke positie. De Y-as van het 3D-bewegende platform dat met de ondergrond wordt geplaatst, wordt geïnitialiseerd door naar de oorspronkelijke positie te gaan.
  5. Het substraat beweegt 50 mm in de positieve richting van de Y-as. De UV-lamp wordt door de cilinder (10 mm boven het substraat) naar beneden geduwd.
  6. Schakel de UV-lamp voor 180 s in volgens de instelling van de uithardingstijd.
  7. Duw de UV-lamp naar de beginpositie met de cilinder. De Y-as van het 3D-mobiele platform dat met de ondergrond wordt geplaatst, wordt geïnitialiseerd en teruggezet naar de oorspronkelijke positie.
  8. Verplaats het 3D mobiele platform dat met de ondergrond is geplaatst met 0,1 mm langs de Z-as.
  9. Herhaal stap 4.1 – 4.8 om de volgende laag af te drukken totdat het afdrukken met meerdere lagen is voltooid.

5. afdrukken van het onderhuidse weefsel Phantom component door FDM

Opmerking: de FDM-module bestaat uit een hybride-drie-kopmodule, een eenkopmodule en een 3D-mobiel platform. De gel wax, het absorberende materiaal en het verstrooiings materiaal worden gebruikt als grondstoffen om een Phantom te bereiden die subcutaan weefsel/tumor simueert. De gel wax wordt verhit en gesmolten in de feeder. Gelijkmatig geroerd door de extrusiekop, wordt geëxtrudeerd om de uiteindelijke Phantoms met de gewenste optische parameters af te drukken.

  1. Schakel het verwarmingsvermogen van de sproeier module in en stel de temperatuur in op 60 °C.
  2. Verplaats de Meng mondstuk naar de werkpositie door de cilinder te duwen.
  3. De FDM-module ontvangt de G-code commando's die door de hostcomputer worden verzonden en het Meng mondstuk wordt verwarmd tot 68 °C.
  4. Zet de roer motor aan en meng de materialen goed.
  5. Initialiseer het 3D mobiele platform en de XYZ-assen gaan naar de beginpositie.
  6. Het afdrukproces wordt uitgevoerd volgens de G-code opdrachten. In een Layer-by-Layer print procedure worden de materialen geëxtrudeerd in verhouding tot de mengverhouding die de optische parameters van de Phantom in elke laag bepaalt. Het printen gaat door totdat het onderhuidse weefsel gedeelte of het tumor gedeelte volledig geprint is.
  7. Verplaats de Meng mondstuk module naar de beginpositie door de cilinder te duwen.
    Let op: omdat grafiet poeder een sterke licht absorptie heeft, moet het zo gelijkmatig mogelijk worden gemengd om veranderingen in de optische parameters geïnduceerd door aggregatie te voorkomen. TiO2 poeder van grote deeltjesgrootte gemakkelijk neerslaan en beïnvloedt materiaal plaatsing nauwkeurigheid, dus het is noodzakelijk om volledig te mengen. TiO2 moet worden vervangen indien bewaard voor een lange tijd.

6. het substraat terug verplaatsen naar het laadstation

  1. Initialiseer het 3D mobiele platform en verplaats de XYZ-as naar de beginpositie. Verplaats het 3D mobiele platform naar de locatie van de overhandiging.
  2. Beweeg de mechanische hand naar de positie boven het substraat door de cilinder te duwen.
  3. Pak het substraat en beweeg het over het laadstation met de mechanische hand. Plaats het substraat op het laadstation en voltooi het automatische afdrukken.

7. het gieten van de onderhuidse weefsellaag Phantom component door molding

Opmerking: als het tumor model voor de Phantom is ontworpen, zal het nodig zijn om de hele Phantom te werpen door het Polydimethylsiloxaan (PDMS) buiten de tumor te gieten. Stappen 7.1 – 7.3 zijn niet vereist voor de FDM-module om de subcutane weefsellaag zonder tumor af te drukken.

  1. Druk op een substraat met een 3D-gedrukte rechthoekige mal.
  2. Giet vloeibare PDM'S in de mal.
  3. Plaats het substraat in een incubator en bewaar bij 60 °C gedurende 2 uur.
  4. Verwijder de Phantom uit de ondergrond.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Phantom gefabriceerd door spin coating
De spin coating verdeelt de druppels gelijkmatig op het substraat door de draaitafel te roteren, en een enkele laag van het originele lichaam wordt na uitharding gefabriceerd. De rotatiesnelheid van het substraat en de rotatie tijd beïnvloeden niet alleen de oppervlaktekwaliteit van de Phantom, maar bepalen ook de dikte van elke laag van de Phantom. Phantoms van verschillende diktes kunnen worden vervaardigd door herhaalde spin coating Layer-by-Layer. De optische parameters van de Phantoms kunnen worden bepaald door het aandeel van de verstrooiings-en absorptie materialen te veranderen, zoals beschreven in onze vorige publicatie24. Het verhogen van de TiO2 -concentratie in de fotocurabele hars zal de verstrooiings coëfficiënt van de Phantom verhogen. Gezien het feit dat de spin coating een precisie heeft van 0,01 mm en de huid epidermis tussen de 0,04 – 1,6 mm dik is, voldoet het proces aan de eis voor het simuleren van de huid epidermis (Figuur 2).

Figure 2
Figuur 2: een enkele laag Phantom gefabriceerd door spin coating. A) het PDMS-materiaal wordt toegevoegd aan 50% proportionele tert-butylalcohol eneenspin-coating bij 3.000 rpm voor 40 s om de enkellaags Phantom te vormen. De dikte van de Phantom is 10 ± 1 μm zoals gemeten door de LGO (B) correlaties tussen de haalbare dikte van de PDMS film en de spin snelheid op verschillende draaitijden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Phantom gefabriceerd door polyjet Printing12
Lichtuikbare materialen uit verschillende kanalen worden gemengd met verschillende optische deeltjes en gedrukt door piëzo-elektrische inkjetprinters op een substraat volgens het ". prn" bestand. Na uitharding wordt een enkele laag van de Phantom verkregen. De resolutie van de polyjet-printer is 18 μm x 18 μm x 10 μm (lengte x breedte x hoogte), de positionele resolutie van het mobiele platform is 1 μm, en de nozzle ondersteunt vier verschillende soorten drukwerk. De nauwkeurigheid van het afdruk vlak is 50 μm en de dikte van elke laag wordt bepaald door de hoeveelheid uitgeworpen materialen. Aangezien de ejectiehoeveelheid van een enkel kanaal is ingesteld op 60%, is de gemiddelde dikte van elke laag 100 ± 10 μm. De dermis-laag van het huid weefsel is typisch tussen 0,4 – 2,4 mm dik, en de inkjetdrukmodule is in staat om een dikte resolutie van 100 μm te bereiken. De epidermale bloedvaten worden gesimuleerd door de druk materialen te mengen met Chinese rode kleurstof (Figuur 3).

Figure 3
Figuur 3: bloedvat simulaties gedrukt door polyjet Printing. A) afbeelding vaneenbloedvat voor het afdrukken van lijnen die bloedvaten nabootsen. B) de lijnen die de bloedvaten nabootsen die op een Witboek zijn gedrukt, waarbij het papier in het afdrukproces op het substraat van het 3D-mobiele platform is bevestigd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Phantom gefabriceerd door FDM Printing
Gel wax wordt gemengd met grafiet poeder en TiO2 poeder en gedrukt in een gewenste vorm door fdm Printing. De dimensionale fout in de horizontale richting van de Phantom is minder dan 1%. De laterale lengte van de Phantom is groter dan 20 mm, de minimaal afdrukbare functie is 1 mm en het afdrukbare bereik is 100 mm x 100 mm x 20 mm. De absorptie-en verstrooiings parameters van een Phantom zijn afhankelijk van de verhouding van de TiO2 en grafiet poeder binnenin. Figuur 4 presenteert Phantoms van verschillende functie maten gedrukt door de fdm Printing met behulp van de gel Wax zonder Tio2 en grafiet poeder. We kunnen de verhouding van TiO2 tot grafiet poeder tijdens het printen wijzigen en zo fantoms van verschillende absorptie-en verstrooiings parameters fabriceren, inclusief gradiënten (Figuur 4B). De correlatie van absorptie-en verstrooiings parameters met de verhouding van TiO2 tot grafiet poeder is te vinden in de referenties24.

Figure 4
Figuur 4: resultaten van FDM Printing. A) een acht-laags 40 mm x 40 mm x 0,4 mm cuboid-model met gradiënt kleur. B) verlopende Phantom verkregen door het drukken van de gel Wax gemengd met Tio2 en grafiet poeder in een geleidelijke schaal. C) CAD-model in multihoek vorm. D) het model met meerdere hoeken wordt gedrukt. De rechterbenedenhoek van de foto is het resultaat gemeten onder een vooraanzicht Microscoop. De minimale afdruk functie van FDM is 1 mm. (E) cuboid Phantoms gedrukt in de fdm-module. F) de gemeten resultaten geven aan dat de variatie in grootte minder dan 1% bedraagt wanneer de laterale afmeting groter is dan 20 mm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Phantom gefabriceerd door geautomatiseerde print productielijn
Door de bovenstaande drie afdrukmethoden te integreren en het bovengenoemde protocol te volgen, is het productielijn systeem in staat om een tumor-simulerende Phantom te produceren. Het nemen van een vereenvoudigd huid model als een voorbeeld, de epidermis laag, de dermis laag, en de onderhuidse weefsel laag met verschillende diktes en optische eigenschappen zijn vervaardigd door spin coating, polyjet Printing, en FDM Printing, respectievelijk. Daarom werd de mogelijkheid om spin coating, polyjet Printing en FDM Printing te combineren om optische fantoms te produceren geverifieerd, en het systeem was in staat om weefsel optische Phantoms te produceren met de gesimuleerde optische en structurele eigenschappen (Figuur 5, Figuur 6).

Figure 5
Figuur 5: gefabriceerde meerlaagse huid fantoms met een ingesloten tumor. A) eenschematisch diagram van een meerlaagse structuur van een tumor Phantom, met inbegrip van één spin gecoate laag, zeven polyjet gedrukte lagen (waaronder drie transparante lagen en drie lagen bloedvat lagen, en één gemeenschappelijke laag, en een fdm gedrukte tumor). De rechterbenedenhoek van de afbeelding is een schematische weergave van de Phantom. (B) de Phantom links heeft twee ingesloten tumoren en de rechter heeft een ingesloten tumor. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: het vervaardigen van meerlaagse huid-nabootsen Phantoms. A) eenmeerlaagse Skin Phantom afgedrukt op een silicium wafer bestaat uit een spin coating laag, een polyjet Printing Layer, en een fdm Printing laag van onder naar boven. B) vooraanzicht van de Phantom ingebed met bloedvat achtige groeven op het oppervlak. C) microscopisch beeld van een dwarsdoorsnede van de Phantom die de verschillende lagen weergeeft. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bij de fabricage van de meerlaagse Phantom is het materiaal dat voor de spin coating wordt gebruikt een soort lichtuikbaar materiaal in plaats van PDM'S. De tussenlaag wordt bedrukt met de polyjet Printmethode, die de lichtuikbare hars als grondstof gebruikt. Hoewel dunne PDMS Phantoms kunnen worden gemaakt door spin coating na het toevoegen van tert-butylalcohol, kan een PDMS laag niet effectief binden aan het lichtuikbare materiaal tijdens het printen van polyjet. Daarom kozen we voor de lichtuikbare hars voor spin coating.

Momenteel zijn er slechts twee materialen beschikbaar voor het afdrukken van polyjet. De toevoeging van TiO2 -poeder en Indische inkt aan het lichtuikbare materiaal simuleert de optische eigenschappen van de dermis-laag, die in het toekomstige werk aan het systeem kan worden toegevoegd.

Voor FDM-printen moeten de materialen vóór de extrusie grondig worden gemengd. Daarom kan de proces vertraging als gevolg van het mengen langer zijn dan bij het traditionele FDM-afdrukproces. De verplaatsing van het substraat op het 3D mobiele platform wordt ook vertraagd voor de overeenkomstige tijd tijdens het printen. Om Phantoms met complexe vormen af te drukken, moet de controle over de vertraging worden verbeterd.

De laatste stap in de fabricage van de tumor-simulerende Phantom is casting. In feite wordt in het ontwerp van de nozzle-assemblage een toegevoegde nozzle gebruikt om een vierde materiaal te injecteren. Echter, de controle van het bewegings proces van het 3D mobiele platform is ingewikkeld, en de nozzle kan het oorspronkelijke tumor model vernietigen. Dit kan worden verbeterd door het Motion Control-programma opnieuw te ontwerpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Het werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation van China (Grant NOS. 11002139 en 81327803) en de fundamentele onderzoeksfondsen voor de centrale universiteiten. We danken Zachary J. Smith van de University of Science and Technology voor het leveren van de audio-VoiceOver.

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