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Multimodaler 3D-Druck von Phantomen zur Simulation von biologischem Gewebe

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Summary

Spin-Beschichtung, Polyjet-Druck und Sicherungsabscheidungsmodellierung sind integriert, um mehrschichtige heterogene Phantome zu produzieren, die strukturelle und funktionelle Eigenschaften von biologischem Gewebe simulieren.

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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

Die biomedizinische optische Bildgebung spielt eine wichtige Rolle bei der Diagnose und Behandlung verschiedener Krankheiten. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eines optischen Bildgebungsgeräts wird jedoch stark von den Leistungsmerkmalen seiner Komponenten, der Testumgebung und den Vorgängen beeinflusst. Daher ist es notwendig, diese Geräte nach rückverfolgbaren Phantomstandards zu kalibrieren. Die meisten der derzeit verfügbaren Phantome sind jedoch homogene Phantome, die keine multimodalen und dynamischen Eigenschaften des biologischen Gewebes simulieren können. Hier zeigen wir die Herstellung heterogener gewebesimulierender Phantome anhand einer Produktionslinie, die ein Spin-Beschichtungsmodul, ein Polyjet-Modul, ein FDM-Modul (FUSED Deposition Modeling) und ein automatisches Steuerungsframework integriert. Die Strukturinformationen und die optischen Parameter eines "digitalen optischen Phantoms" werden in einer Prototypdatei definiert, in die Produktionslinie importiert und Schicht für Schicht mit sequentiellem Wechsel zwischen verschiedenen Druckmodalitäten hergestellt. Die technische Leistungsfähigkeit einer solchen Produktionslinie wird durch den automatischen Druck von hautsimulierenden Phantomen veranschaulicht, die die Epidermis, Dermis, subkutanes Gewebe und einen eingebetteten Tumor umfassen.

Introduction

Die biomedizinische optische Bildgebung stellt eine Familie medizinischer Bildgebungsinstrumente dar, die Krankheiten und Gewebeanomalien auf der Grundlage von Lichtwechselwirkungen mit biologischem Gewebe erkennen. Im Vergleich zu anderen bildgebenden Modalitäten wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Computertomographie (CT) nutzt die biomedizinische optische Bildgebung die nichtinvasive Messung von strukturell, funktionellen und molekularen Gewebeeigenschaften mit kostengünstigen und tragbaren Geräten1,2,3,4. Trotz ihrer Überlegenheit in den Kosten und der Übertragbarkeit ist die optische Bildgebung für die klinische Diagnose und therapeutische Beratung jedoch nicht allgemein anerkannt, was teilweise auf die schlechte Reproduzierbarkeit und das Fehlen einer quantitativen Kartierung zwischen optischen und biologischen Parametern zurückzuführen ist. Der Hauptgrund für diese Einschränkung ist das Fehlen rückverfolgbarer Standards für die quantitative Kalibrierung und Validierung biomedizinischer optischer Bildgebungsgeräte.

In der Vergangenheit wurden eine Vielzahl von gewebesimulierenden Phantomen für die biomedizinische optische Bildgebungsforschung in verschiedenen Gewebetypen entwickelt, wie Gehirn5,6,7, Haut8,9,10,11,12, Blase13und Brustgewebe14,15,16,17. Diese Phantome werden in erster Linie durch eines der folgenden Herstellungsverfahren hergestellt: 1) Spinbeschichtung10,18 (zur Simulation homogenen und dünnschichtigen Gewebes); 2) Formung19 (zur Simulation von sperrigem Gewebe mit geometrischen Merkmalen); und 3) dreidimensionaler (3D) Druck20,21,22 (zur Simulation von mehrschichtigem heterogenem Gewebe). Haut-Phantome, die durch Formen erzeugt werden, sind in der Lage, die optischen Eigenschaften des Hautgewebes zu imitieren, können aber die seitlichen optischen Heterogenitäten nicht simulieren19. Bentz et al. verwendeten ein zweikanaliges FDM 3D-Druckverfahren, um verschiedene optische Eigenschaften des biologischen Gewebes nachzuahmen23. Die Verwendung von zwei Materialien kann jedoch die optische Heterogenität und Anisotropie des Gewebes nicht ausreichend simulieren. Lurie et al. schufen ein Blasen-Phantom für optische Kohärenztomographie (OCT) und Zystoskopie durch die Kombination von 3D-Druck und Spin-Beschichtung13. Heterogene Merkmale des Phantoms, wie Blutgefäße, mussten jedoch von Hand bemalt werden.

Unter den oben genannten Phantomfertigungsprozessen bietet der 3D-Druck die größte Flexibilität bei der Simulation der strukturellen und funktionellen Heterogenitäten von biologischem Gewebe. Viele biologische Gewebetypen, wie z. B. Hautgewebe, bestehen jedoch aus mehrschichtigen und mehrskalienierten Komponenten, die durch einen einzigen 3D-Druckprozess nicht effektiv dupliziert werden können. Daher ist die Integration mehrerer Fertigungsprozesse notwendig. Wir schlagen eine 3D-Druck-Produktionslinie vor, die mehrere Fertigungsprozesse für die automatische Herstellung von mehrschichtigen und mehrskalienigen Gewebesimulationsphantomen als rückverfolgbaren Standard für die biomedizinische optische Bildgebung integriert(Abbildung 1). Obwohl Spincoating, Polyjet-Druck und FDM in unserer 3D-Druck-Produktionslinie automatisiert sind, behält jede Modalität die gleichen funktionalen Eigenschaften wie die etablierten Prozesse. Daher bietet dieses Papier eine allgemeine Richtlinie für die Herstellung von mehrskaligen, vielschichtigen und heterogenen Gewebesimulations-Phantomen, ohne dass die physische Integration mehrerer Prozesse in einem einzigen Gerät erforderlich ist.

Figure 1
Abbildung 1: Das CAD-Diagramm der 3D-Druckfertigungslinie. (A) Die 3D-Druck-Produktionslinie mit der obersten Schale entfernt. (B) Der Schaltplan des Spin-Beschichtungsmoduls und des mechanischen Handmoduls. (C) Der Schaltplan des Polyjet-Druckmoduls. (D) Der Schaltplan des FDM-Druckmoduls (die UV-Lampe gehört zum Polyjet-Druckmodul). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Protocol

1. Vorbereiten von Materialien für den 3D-Druck

HINWEIS: Unsere optische Phantomproduktionslinie verwendet eine Vielzahl von Druckmaterialien, um die strukturellen und funktionellen Heterogenitäten des biologischen Gewebes zu simulieren. Die Auswahl der Druckmaterialien hängt auch von den Herstellungsprozessen ab.

  1. Materialaufbereitung für den Spinbeschichtungsdruck
    1. Fügen Sie 100 mg Titandioxidpulver (TiO2) pulver in ein Becherglas mit 100 ml Stereolithographie (SLA) Photopolymerharz.
    2. Die Mischung im Becher glasen 30 min auf einem Magnetrührer.
    3. Versiegeln Sie den Becher mit Tinfoil und beschallen Sie ihn 15 min lang in einer Ultraschallmaschine.
    4. Vakuumieren Sie das Material 10 min und laden Sie es in die Speicherspritze des Geräts.
  2. Materialaufbereitung für den Polyjetdruck
    1. 17,56 g 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) in das Becherglas geben, das 80 g Triethylenglykoldimethacrylat enthält, um 18% (w/w) Material zu erhalten.
    2. Versiegeln Sie den Becher mit Tinfoil und beschallen Sie ihn 15 min lang in einer Ultraschallmaschine.
    3. Nehmen Sie 20 ml der Mischung heraus und fügen Sie 5 mg des öllöslichen chinesischen roten Farbstoffs hinein. Wiederholen Sie Schritt 1.2.2.
    4. Vakuumieren Sie alle Materialien, laden Sie die Lösung mit Farbstoff in die Patronen für den Y (Gelb) Kanal, und laden Sie die reine Lösung in die Patronen für den K (Black) Kanal.
  3. Materialaufbereitung für fDM-Druck
    1. 200 g Gelwachs in jeden der drei Becher geben und dann auf einem Magnetrührer auf 60 °C erhitzen.
    2. Fügen Sie 600 mg TiO2 Pulver in den ersten Becher. Fügen Sie 80 mg Graphitpulver in das zweite.
    3. Das mit TiO2 vermischte Gelwachs und das Gelwachs mit Graphitpulver in verschiedenen Bechern 30 min auf dem Magnetrührer rühren.
    4. Die drei verschiedenen Materialien 2 min absaugen und vor der Erstarrung in den Extruder des Hybrid-Dreidüsenmoduls laden.

2. Vorbereiten von Computermodellen für den multimodalen 3D-Druck

HINWEIS: Das heterogene Hautgewebe wird in drei Schichten vereinfacht: Epidermis, Dermis und Subkutangewebe. Die Epidermisschicht wird durch Spinbeschichtung unter Verwendung des in Schritt 1.1 eingeführten Materials hergestellt. Die Dermisschicht wird im Polyjet-Druck mit dem in Schritt 1.2 eingeführten lichtempfindlichen Polymer hergestellt. Die subkutane Gewebeschicht wird von FDM unter Verwendung des in Schritt 1.3 eingeführten Materials hergestellt. Zur Steuerung der oben genannten Fertigungsprozesse wird eine CAD-Datei (Computer Aided Design) mit unterschiedlichen Druckparametern generiert.

  1. Design eines digitalen optischen Phantoms für die Haut
    1. Entwerfen Sie das Hautphantom mit den folgenden drei Schichten: einer Epidermisschicht von 100 m Dicke, einer Dermisschicht von 400 m Dicke und einem subkutanen Gewebe von 1 cm Dicke.
    2. Zeichnen Sie ein Tumormodell mit einem 3D-Modellierungssoftwarepaket (z. B. Solidworks) (Abbildung 5A).
  2. Parametereinstellung für Spinbeschichtung
    1. Legen Sie die Parameter der Drehgeschwindigkeit und -dauer in der Steuerungssoftware des Druckgeräts fest. Die erste Stufe der Spinbeschichtungsgeschwindigkeit, die in dieser Demonstration verwendet wird, beträgt 200 Umdrehungen pro min (Rpm), die Spin-Beschichtungszeit beträgt 20 s, die Geschwindigkeit in der zweiten Stufe der Spin-Beschichtung 1.000 U/min und die Spinbeschichtungszeit 40 s.
    2. Stellen Sie die Menge des Spinbeschichtungsmaterials auf 3 ml und die Lichthärtungszeit auf 180 s in der Steuerungssoftware fest.
  3. Erstellung der Quelldatei für den Polyjet-Druck
    1. Importieren Sie das zu druckende Blutgefäßbild in das AcroRIP Color Softwarepaket und legen Sie die Parameter (Druckposition und Tintenstrahlmenge) entsprechend der Beziehung zwischen den optischen Parametern der gedruckten Phantome und den Bildeigenschaften fest. In diesem gedruckten Blutgefäßbild wird der K-Kanal mit einem transparenten fotohärtlichen Material und der Y-Kanal mit einem fotohärierbaren Material beladen, das mit chinesischem rotfärbendem Farbstoff vermischt ist.
    2. Generieren Sie eine ".prn"-Datei mit Für den 3D-Druck definierten Parametern.
  4. Vorbereitung von G-Code für fDM-Druck
    1. Zeichnen Sie ein Frustummodell mit einem 3D-Mapping-Softwarepaket (z. B. Solidworks), um einen Tumor zu simulieren.
    2. Importieren Sie die Datei ".stl" des Tumormodells in ein Cura-Softwarepaket, das mit einem All-in-One-Düsen-Slicing-Skript installiert ist.
    3. Schneiden Sie das Modell auf, um den G-Code zu generieren, der für den Druck erforderlich ist.
  5. Laden der Dokumente in die Drucksteuerungssoftware
    1. Klicken Sie in der Menüleiste auf das Menüelement"Datei",wählen Sie das Untermenü"UV-Druckdatei importieren"aus, und laden Sie die in Schritt 2.3 eingeführten UV-Druckdateien ".prn".
    2. Laden Sie den in Schritt 2.4 generierten G-Code wie in Schritt 2.5.1 in die Drucksteuerungssoftware.
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Drucken starten, um den automatisierten 3D-Druckvorgang zu starten.

3. Drucken der Haut Epidermis Schicht Phantomkomponente durch Spin-Beschichtung

HINWEIS: Das Spin-Beschichtungsmodul besteht hauptsächlich aus drei Teilen: 1) einem Spincoater; 2) einen Klebstoffspender; und 3) eine UV-Lampe.

  1. Bewegen Sie das Substrat auf der Ladestation mit einer mechanischen Hand auf die Probenstufe des Spincoaters. Starten Sie die Vakuumpumpe, um das Substrat durch Adsorption zu fixieren.
  2. Der Klebstoffspender steuert die Spritze, um das in Schritt 2.2.2 eingeführte Material in der Mitte des Substrats zu tropfen.
  3. Der Spincoater beginnt nach den eingestellten Geschwindigkeits- und Zeitparametern zu arbeiten.
  4. Setzen Sie die UV-Lampe (Wellenlänge: 395 nm) ab und schalten Sie sie für 180 s ein.
  5. Heben Sie die UV-Lampe an, schalten Sie den Spincoater aus, und drucken Sie die Hautepidermis-Schicht.

4. Drucken der Hautdermisschicht Phantomkomponente durch Polyjetting

HINWEIS: Das Polyjet-Druckmodul besteht aus einer piezoelektrischen Inkjet-Düse, einer dreidimensionalen mobilen Plattform, einem Bedienfeld und einer UV-Lampe (Quecksilberlampe). Als Matrix werden das lösemittelbasierte photohärierbare Material, Absorptionsmaterial und Streumaterial verwendet. Unterschiedliche optische Parameter werden durch Sprühmaterial in unterschiedlichen Proportionen in verschiedenen Regionen ermittelt. Schließlich wird das Dermis-Layer-Phantom Schicht für Schicht gedruckt und ausgehärtet.

  1. Bewegen Sie das Substrat auf die mobile 3D-Plattform und öffnen Sie das Saugventil, um das Substrat auf der Plattform zu adsorbieren.
  2. Die mobile 3D-Plattform hält das Substrat an die Ausgangsposition des UV-Druckers.
  3. Schieben Sie den Tintenstrahldrucker durch den Zylinder in die Arbeitsposition, und der Tintenstrahldrucker arbeitet die Zeit, die in der vom Hostcomputer gesendeten Datei ".prn" angegeben ist. Hier bei der Bewegung der mobilen Y-Achsen-Plattform wird das Papiereinzugssignal des Tintenstrahldruckers verwendet.
  4. Der Tintenstrahldrucker druckt die in Schritt 2.5.1 entworfene Schicht und der Zylinder schiebt den Tintenstrahldrucker zurück in die ursprüngliche Position. Die Y-Achse der 3D-Bewegungsplattform, die mit dem Substrat platziert ist, wird initialisiert, indem sie in ihre Ausgangsposition bewegt wird.
  5. Das Substrat bewegt sich 50 mm in die positive Richtung der Y-Achse. Die UV-Lampe wird vom Zylinder nach unten gedrückt (10 mm über dem Substrat).
  6. Schalten Sie die UV-Lampe für 180 s entsprechend der Aushärtungszeiteinstellung ein.
  7. Schieben Sie die UV-Lampe mit dem Zylinder in die Ausgangsposition. Die Y-Achse der mit dem Substrat platzierten mobilen 3D-Plattform wird initialisiert und in ihre Ausgangsposition zurückgeführt.
  8. Bewegen Sie die mobile 3D-Plattform mit Substrat um 0,1 mm entlang der Z-Achse nach unten.
  9. Wiederholen Sie die Schritte 4.1–4.8, um die nächste Ebene zu drucken, bis der Mehrschichtdruck abgeschlossen ist.

5. Drucken der subkutanen Gewebe-Phantomkomponente durch FDM

HINWEIS: Das FDM-Modul besteht aus einem Hybrid-Drei-Kopf-Modul, einem Einkopfmodul und einer mobilen 3D-Plattform. Das Gelwachs, das absorbierende Material und das Streumaterial werden als Rohstoffe verwendet, um ein Phantom zu simulieren, das subkutanes Gewebe/Tumor simuliert. Das Gelwachs wird im Futter erhitzt und geschmolzen. Gleichmäßig durch den Extrusionskopf gerührt, wird es extrudiert, um die letzten Phantome mit den gewünschten optischen Parametern zu drucken.

  1. Schalten Sie die Heizleistung des Düsenmoduls ein und stellen Sie die Temperatur auf 60 °C ein.
  2. Bewegen Sie die Mischdüse in die Arbeitsposition, indem Sie den Zylinder drücken.
  3. Das FDM-Modul empfängt die vom Hostcomputer gesendeten G-Codebefehle, und die Mischdüse wird auf 68 °C erhitzt.
  4. Schalten Sie den Rührmotor ein und mischen Sie die Materialien gut.
  5. Initialisieren Sie die mobile 3D-Plattform und die XYZ-Achsen bewegen sich in die Ausgangsposition.
  6. Der Druckvorgang wird nach den G-Codebefehlen ausgeführt. In einem Schicht-für-Schicht-Druckverfahren werden die Materialien proportional zum Mischungsverhältnis extrudiert, das die optischen Parameter des Phantoms in jeder Schicht bestimmt. Der Druck wird fortgesetzt, bis der subkutane Gewebeteil oder der Tumorteil vollständig gedruckt ist.
  7. Bewegen Sie das Mischdüsenmodul in die Ausgangsposition, indem Sie den Zylinder drücken.
    VORSICHT: Da Graphitpulver eine starke Lichtabsorption aufweist, muss es so gleichmäßig wie möglich gemischt werden, um Veränderungen der optischen Parameter zu vermeiden, die durch Aggregation induziert werden. TiO2 Pulver von großer Partikelgröße leicht ausfällt und beeinflusst Material Platzierung Genauigkeit, so ist es notwendig, es vollständig zu mischen. TiO2 sollte ersetzt werden, wenn es für eine lange Zeit gelagert wird.

6. Verschieben des Substrats zurück zur Verladestation

  1. Initialisieren Sie die mobile 3D-Plattform, und verschieben Sie die XYZ-Achse in die Ausgangsposition. Verschieben Sie die mobile 3D-Plattform an den Übergabeort.
  2. Bewegen Sie die mechanische Hand in die Position über dem Substrat, indem Sie den Zylinder drücken.
  3. Nehmen Sie das Substrat auf und bewegen Sie es mit der mechanischen Hand über die Ladestation. Legen Sie das Substrat auf die Verladestation und vervollständigen Sie den automatisierten Druck.

7. Gießen der subkutanen Gewebeschicht Phantomkomponente durch Formen

HINWEIS: Wenn das Tumormodell für das Phantom entworfen ist, wird es notwendig sein, das gesamte Phantom zu werfen, indem das Polydimethylsiloxan (PDMS) außerhalb des Tumors gegossen wird. Die Schritte 7.1–7.3 sind für das FDM-Modul nicht erforderlich, um subkutane Gewebeschichten ohne Tumor zu drucken.

  1. Drücken Sie auf ein Substrat mit einer 3D-gedruckten rechteckigen Form.
  2. Gießen Sie flüssiges PDMS in die Form.
  3. Das Substrat in einen Inkubator geben und bei 60 °C für 2 h lagern.
  4. Entfernen Sie das Phantom aus dem Substrat.

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Representative Results

Phantom hergestellt durch Spin-Beschichtung
Die Spin-Beschichtung verteilt die Tröpfchen gleichmäßig auf dem Substrat, indem sie den Plattenspieler dreht, und eine einzelne Schicht des ursprünglichen Körpers wird nach dem Aushärten hergestellt. Die Drehgeschwindigkeit des Substrats und die Drehzeit beeinflussen nicht nur die Oberflächenqualität des Phantoms, sondern bestimmen auch die Dicke jeder Schicht des Phantoms. Phantome unterschiedlicher Dicke können durch sich wiederholende Spinbeschichtung Schicht für Schicht hergestellt werden. Die optischen Parameter der Phantome können durch Veränderung des Anteils der Streu- und Absorptionsmaterialien bestimmt werden, wie in unserer vorherigen Publikation24beschrieben. Durch die Erhöhung der TiO2-Konzentration im photohärierbaren Harz wird der Streukoeffizient des Phantoms erhöht. Wenn man bedenkt, dass die Spinbeschichtung eine Genauigkeit von 0,01 mm hat und die Hautepidermis zwischen 0,04 und 1,6 mm dick ist, erfüllt der Prozess die Anforderung, die Hautepidermis zu simulieren (Abbildung 2).

Figure 2
Abbildung 2: Ein einlagiges Phantom, das durch Spin-Beschichtung hergestellt wird. (A) Das PDMS-Material wird zu 50% proportionalem Tert-Butyl-Alkohol hinzugefügt und bei 3.000 U/min für 40 s spinbeschichtet, um das einlagige Phantom zu bilden. Die Dicke des Phantoms beträgt 10 x 1 m, gemessen durch OCT. (B) Korrelationen zwischen der erreichbaren Dicke der PDMS-Folie und der Spinngeschwindigkeit zu unterschiedlichen Spinzeiten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Phantom hergestellt durch Polyjet-Druck12
Lichthärtende Materialien aus verschiedenen Kanälen werden mit verschiedenen optischen Partikeln vermischt und von piezoelektrischen Inkjets auf einem Substrat nach der Datei ".prn" gedruckt. Nach der Aushärtung wird eine einzelne Schicht des Phantoms erhalten. Die Auflösung des Polyjet-Druckers beträgt 18 x 18 x 10 m (Länge x Breite x Höhe), die Positionsauflösung der mobilen Plattform beträgt 1 m, und die Düse unterstützt vier verschiedene Arten von Druckmaterialien. Die Genauigkeit der Druckebene beträgt 50 m, und die Dicke jeder Schicht wird durch die Menge der ausgeworfenen Materialien bestimmt. Da die Auswurfmenge eines einzelnen Kanals auf 60 % eingestellt ist, beträgt die mittlere Dicke jeder Schicht 100 x 10 m. Die Dermisschicht des Hautgewebes ist in der Regel zwischen 0,4 und 2,4 mm dick, und das Inkjet-Druckmodul ist in der Lage, eine Dickenauflösung von 100 m zu erreichen. Die epidermalen Blutgefäße werden simuliert, indem die Druckmaterialien mit dem chinesischen Roten Farbstoff vermischt werden (Abbildung 3).

Figure 3
Abbildung 3: Blutgefäßsimulationen, die durch Polyjet-Druck gedruckt werden. (A) Blutgefäßbild zum Drucken von Linien, die Blutgefäße imitieren. (B) Die Linien, die Blutgefäße imitieren, die auf einem weißen Papier gedruckt werden, wo das Papier auf dem Substrat der mobilen 3D-Plattform im Druckprozess befestigt ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Phantom hergestellt durch FDM-Druck
Gelwachs wird mit Graphitpulver und TiO2-Pulver gemischt und im FDM-Druck in gewünschter Form gedruckt. Der Dimensionsfehler in horizontaler Richtung des Phantoms beträgt weniger als 1%. Die Seitenlänge des Phantoms überschreitet 20 mm, die minimal bedruckbare Funktion 1 mm und der druckbare Bereich 100 mm x 100 mm x 20 mm. Die Absorptions- und Streuparameter eines Phantoms hängen vom Verhältnis des TiO2 und des Graphitpulvers im Inneren ab. Abbildung 4 zeigt Phantome unterschiedlicher Funktionsgrößen, die vom FDM-Druck mit dem Gelwachs ohne TiO2 und Graphitpulver gedruckt werden. Wir können das Verhältnis von TiO2 zu Graphitpulver während des Drucks ändern und so Phantome unterschiedlicher Absorptions- und Streuparameter, einschließlich Gradienten , erstellen (Abbildung 4B). Die Korrelation von Absorptions- und Streuparametern mit dem Verhältnis von TiO2 zu Graphitpulver findet sich in den Referenzen24.

Figure 4
Abbildung 4: Ergebnisse des FDM-Drucks. (A) Ein achtlagiges 40-schichtiges 40-mal 40-mm-x-0,4-mm-Quadermodell mit Farbverlaufsfarbe. (B) Gradientenphantom, das durch Drucken des mit TiO2 und Graphitpulver vermischten Gelwachss in einer allmählichen Skala gewonnen wird. (C) CAD-Modell in mehreckigem Zustand. (D) Multi-Eck-Modell gedruckt. Die untere rechte Seite des Bildes ist das Ergebnis, das unter einem Frontansichtsmikroskop gemessen wird. Die minimale Druckfunktion von FDM beträgt 1 mm. (E) Kuboid-Phantome, die im FDM-Modul gedruckt werden. (F) Die gemessenen Ergebnisse zeigen an, dass die Größenvariation weniger als 1% beträgt, wenn die seitliche Dimension über 20 mm liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Phantom hergestellt durch automatisierte Druckproduktionslinie
Durch die Integration der oben genannten drei Druckverfahren und nach dem oben genannten Protokoll ist das Produktionsliniensystem in der Lage, ein tumorsimulierendes Phantom zu erzeugen. Am Beispiel eines vereinfachten Hautmodells werden die Epidermisschicht, die Dermisschicht und die subkutane Gewebeschicht mit unterschiedlichen Dicken und optischen Eigenschaften durch Spin-Beschichtung, Polyjet-Druck bzw. FDM-Druck hergestellt. Daher wurde die Möglichkeit der Kombination von Spin-Beschichtung, Polyjet-Druck und FDM-Druck zur Herstellung optischer Phantome überprüft, und das System war in der Lage, optische Phantome aus Gewebe mit den simulierten optischen und strukturellen Eigenschaften herzustellen (Abbildung 5, Abbildung 6).

Figure 5
Abbildung 5: Hergestellte mehrschichtige Hautphantome mit einem eingebetteten Tumor. (A) Ein schematisches Diagramm einer mehrschichtigen Struktur eines Tumor-Phantoms, einschließlich einer spin-beschichteten Schicht, sieben polyjet-gedruckten Schichten (einschließlich drei transparenter Schichten und drei Schichten von Blutgefäßschichten und einer gemeinsamen Schicht und einem FDM-gedruckten Tumor). Die untere rechte Seite des Bildes ist eine schematische Darstellung des Phantoms. (B) Das Phantom auf der linken Seite hat zwei eingebettete Tumoren und der rechte hat einen eingebetteten Tumor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Herstellung mehrschichtiger, hautimitimierter Phantome. (A) Ein mehrschichtiges Hautphantom, das auf einem Siliziumwafer gedruckt wird, besteht aus einer Spin-Beschichtungsschicht, einer Polyjet-Druckschicht und einer FDM-Druckschicht von unten nach oben. (B) Frontansicht des Phantoms, eingebettet mit blutgefäßartigen Rillen auf seiner Oberfläche. (C) Mikroskopisches Bild eines Querschnitts des Phantoms, das die verschiedenen Schichten zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Bei der Herstellung des mehrschichtigen Phantoms ist das für die Spinbeschichtung verwendete Material eine Art lichthärtendes Material anstelle von PDMS. Die Zwischenschicht wird mit dem Polyjet-Druckverfahren gedruckt, bei dem das lichthärtende Harz als Rohstoff verwendet wird. Obwohl dünne PDMS-Phantome nach Zugabe von Tert-Butyl-Alkohol durch Spin-Beschichtung hergestellt werden können, kann eine PDMS-Schicht beim Polyjet-Druck nicht effektiv an das lichthärtende Material binden. Deshalb haben wir uns für das lichthärtende Harz für die Spinbeschichtung entschieden.

Derzeit stehen nur zwei Materialien für den Polyjet-Druck zur Verfügung. Die Zugabe von TiO2-Pulver und indischer Tinte zum lichthärtenden Material simuliert die optischen Eigenschaften der Dermisschicht, die in zukünftigen Arbeiten in das System aufgenommen werden kann.

Für den FDM-Druck sollten die Materialien vor der Extrusion gründlich gemischt werden. Daher kann die Prozessverzögerung durch Mischen länger sein als beim herkömmlichen FDM-Druckprozess. Auch die Bewegung des Substrats auf der mobilen 3D-Plattform verzögert sich um die entsprechende Zeit während des Drucks. Um Phantome mit komplexen Formen zu drucken, muss die Steuerung der Verzögerung verbessert werden.

Der letzte Schritt in der Herstellung des tumorsimulierenden Phantoms ist das Gießen. In der Tat, in der Konstruktion der Düsenbaugruppe, eine zusätzliche Düse wird verwendet, um ein viertes Material zu injizieren. Die Steuerung des Bewegungsprozesses der mobilen 3D-Plattform ist jedoch kompliziert, und die Düse kann das ursprüngliche Tumormodell zerstören. Dies kann durch eine Neugestaltung des Bewegungssteuerungsprogramms verbessert werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Die Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 und 81327803) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities unterstützt. Wir danken Zachary J. Smith von der University of Science and Technology für die 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

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