Impressão 3D multimodal de fantasmas para simular tecido biológico
Summary
Revestimento de spin, impressão polijato e modelagem de deposição fundida são integrados para produzir fantasmas heterogêneos multicamadas que simulam propriedades estruturais e funcionais do tecido biológico.
Abstract
A imagem óptica biomédica está desempenhando um papel importante no diagnóstico e tratamento de várias doenças. No entanto, a precisão e a reprodutibilidade de um dispositivo de imagem óptica são muito afetadas pelas características de desempenho de seus componentes, o ambiente de teste e as operações. Portanto, é necessário calibrar esses dispositivos por padrões fantasma rastreáveis. No entanto, a maioria dos fantasmas atualmente disponíveis são fantasmas homogêneos que não podem simular características multimodais e dinâmicas do tecido biológico. Aqui, mostramos a fabricação de fantasmas heterogêneos simuladores de tecidousando uma linha de produção que integra um módulo de revestimento de rotação, um módulo de polijato, um módulo de modelagem de deposição fundida (FDM) e uma estrutura de controle automático. As informações estruturais e os parâmetros ópticos de um “fantasma óptico digital” são definidos em um arquivo protótipo, importado para a linha de produção, e fabricados camada por camada com alternagem sequencial entre diferentes modalidades de impressão. A capacidade técnica de tal linha de produção é exemplificada pela impressão automática de fantasmas simuladores de pele que compõem a epiderme, derme, tecido subcutâneo e um tumor embutido.
Introduction
A imagem óptica biomédica representa uma família de ferramentas médicas da imagem latente que detectam doenças e anomalias do tecido baseadas em interações claras com tecido biológico. Em comparação com outras modalidades de imagem, como ressonância magnética (RM) e tomografia computadorizada (TC), imagens ópticas biomédicas aproveitam a medição não invasiva de características estruturais, funcionais e moleculares de tecidos usando dispositivos de baixo custo e portáteis1,2,3,4. No entanto, apesar de sua superioridade em custo e portabilidade, a imagem óptica não tem sido amplamente aceita para diagnóstico clínico e orientação terapêutica, em parte devido à sua baixa reprodutibilidade e falta de mapeamento quantitativo entre parâmetros ópticos e biológicos. A principal razão para essa limitação é a falta de padrões rastreáveis para calibração quantitativa e validação de dispositivos de imagem óptica biomédica.
No passado, uma variedade de fantasmas simuladores de tecidos foram desenvolvidas para pesquisa de imagem óptica biomédica em vários tipos de tecidos, como cérebro5,6,7,pele8,9,10,11,12,bexiga13,e tecidos mamários14,15,16,17. Estes fantasmas são produzidos principalmente por um dos seguintes processos de fabricação: 1) revestimento de rotação10,18 (para simular tecido homogêneo e de camadas finas); 2) moldando19 (para simular o tecido volumoso com características geométricas); e 3) impressão tridimensional (3D)20,21,22 (para simular tecido heterogêneo multicamadas). Os fantasmas da pele produzidos por moldagem são capazes de imitar as propriedades ópticas a granel do tecido da pele, mas não podem simular as heterogeneidades ópticas laterais19. Bentz et al. usaram um método de impressão 3D FDM de dois canais para imitar diferentes propriedades ópticas do tecido biológico23. No entanto, o uso de dois materiais não pode simular suficientemente a heterogeneidade óptica do tecido e anisotropia. Lurie et al. criaram um fantasma da bexiga para tomografia óptica de coerência (OCT) e cistoscopia, combinando impressão 3D e revestimento de rotação13. No entanto, características heterogêneas do fantasma, como os vasos sanguíneos, tiveram que ser pintadas à mão.
Entre os processos de fabricação fantasma acima, a impressão 3D oferece a maior flexibilidade para simular as heterogeneidades estruturais e funcionais do tecido biológico. No entanto, muitos tipos de tecidobiológico, como o tecido da pele, consistem em componentes multicamadas e multiescalados que não podem ser efetivamente duplicados por um único processo de impressão 3D. Portanto, a integração de múltiplos processos de fabricação é necessária. Propomos uma linha de produção de impressão 3D que integra vários processos de fabricação para a produção automática de tecido multicamadas e multiescalas simulando fantasmas como um padrão rastreável para imagens ópticas biomédicas (Figura 1). Embora o revestimento de rotação, a impressão polijato e o FDM sejam automatizados em nossa linha de produção de impressão 3D, cada modalidade mantém as mesmas características funcionais dos processos estabelecidos. Portanto, este artigo fornece uma diretriz geral para a produção de fantasmas de simulação de tecido multiescalados, multicamadas e heterogêneos sem a necessidade de integração física de múltiplos processos em um único aparelho.
Figura 1: O diagrama CAD da linha de produção de impressão 3D. (A)A linha de produção de impressão 3D com o escudo superior removido. (B) O esquema do módulo de revestimento de rotação e do módulo de mão mecânica. (C)O esquema do módulo de impressão polijato. (D)O esquema do módulo de impressão FDM (a lâmpada UV pertence ao módulo de impressão polijato). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Protocol
Representative Results
Discussion
Na fabricação do fantasma multicamadas, o material usado para revestimento de rotação é uma espécie de material curável em luz em vez de PDMS. A camada intermediária é impressa com o método de impressão polijato, que usa a resina curável como matéria-prima. Embora os fantasmas pdms finos possam ser feitos por revestimento de rotação depois de adicionar álcool tert-butyl, uma camada PDMS não pode efetivamente se ligar ao material curável à luz durante a impressão polijato. Portanto, escolhemos a resina…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O trabalho foi apoiado pela National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 e 81327803) e pelos Fundos fundamentais de pesquisa para as Universidades Centrais. Agradecemos Zachary J. Smith da Universidade de Ciência e Tecnologia para fornecer a narração de áudio.
Materials
| 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 |
References
- Lu, G., Fei, B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics. 19 (1), 010901 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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. , 80911 (2010).
- 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. , 85830 (2013).
- 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).
- 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. , 932507 (2015).
- 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).
- Hahn, C., Noghanian, S. Heterogeneous breast phantom development for microwave imaging using regression models. Journal of Biomedical Imaging. 2012, 6 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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. , 93250 (2015).
- Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e57578 (2018).
- 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).
- 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).
- Beltrame, E. D. V., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. Journal of Visualized Experiments. (121), e55427 (2017).
- 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).
- 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).
