Biyolojik Doku Simüle Etmek Için Hayaletlerin Multimodal 3D Baskısı
Summary
Spin kaplama, polijet baskı ve erimiş biriktirme modelleme biyolojik doku yapısal ve fonksiyonel özelliklerini taklit çok katmanlı heterojen hayaletler üretmek için entegre edilmiştir.
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.
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.
Protocol
Representative Results
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.
<p class="jove_cont…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
