Stampa 3D multimodale di fantasmi per simulare il tessuto biologico
Summary
Il rivestimento a spin, la stampa polijet e la modellazione della deposizione fusa sono integrati per produrre fantasmi eterogenei multistrato che simulano le proprietà strutturali e funzionali del tessuto biologico.
Abstract
L’imaging ottico biomedico svolge un ruolo importante nella diagnosi e nel trattamento di varie malattie. Tuttavia, l’accuratezza e la riproducibilità di un dispositivo di imaging ottico sono notevolmente influenzate dalle caratteristiche prestazionali dei suoi componenti, dell’ambiente di test e delle operazioni. Pertanto, è necessario calibrare questi dispositivi in base a standard fantasma tracciabili. Tuttavia, la maggior parte dei fantasmi attualmente disponibili sono fantasmi omogenei che non possono simulare caratteristiche multimodali e dinamiche del tessuto biologico. Qui, mostriamo la fabbricazione di fantasmi eterogenei che simulano tessuti utilizzando una linea di produzione che integra un modulo di rivestimento a spin, un modulo polijet, un modulo FDM (FDM) fuso e un framework di controllo automatico. Le informazioni strutturali e i parametri ottici di un “fantasma ottico digitale” sono definiti in un file prototipo, importati nella linea di produzione e fabbricati strato per strato con interruttore sequenziale tra diverse modalità di stampa. La capacità tecnica di una tale linea di produzione è esemplificata dalla stampa automatica di fantasmi che simulano la pelle che comprendono l’epidermide, il derma, il tessuto sottocutaneo e un tumore incorporato.
Introduction
L’imaging ottico biomedico rappresenta una famiglia di strumenti di imaging medico che rilevano malattie e anomalie tissutali basate su interazioni di luce con il tessuto biologico. Rispetto ad altre modalità di imaging, come la risonanza magnetica (RM) e la tomografia computerizzata (TC), l’imaging ottico biomedico sfrutta la misurazione non invasiva delle caratteristiche strutturali, funzionali e molecolari dei tessuti utilizzando dispositivi portatili e a basso costo1,2,3,4. Tuttavia, nonostante la sua superiorità in termini di costi e portabilità, l’imaging ottico non è stato ampiamente accettato per la diagnosi clinica e l’orientamento terapeutico, in parte a causa della sua scarsa riproducibilità e della mancanza di mappatura quantitativa tra parametri ottici e biologici. La ragione principale di questa limitazione è la mancanza di standard tracciabili per la calibrazione quantitativa e la convalida dei dispositivi di imaging ottico biomedico.
In passato, una varietà di phantom che simulano i tessuti sono stati sviluppati per la ricerca biomedica di imaging ottico in vari tipi di tessuto, come il cervello5,6,7, pelle8,9,10,11,12, vescica13e tessuti mammari14,15,16,17. Questi fantasmi sono prodotti principalmente da uno dei seguenti processi di fabbricazione: 1) spin coating10,18 (per simulare tessuto omogeneo e sottile); 2) stampaggio19 (per simulare tessuto ingombrante con caratteristiche geometriche); e 3) stampa tridimensionale (3D)20,21,22 (per simulare tessuto eterogeneo multistrato). I fantasmi della pelle prodotti dalla stampatura sono in grado di imitare le proprietà ottiche sfuse del tessuto cutaneo, ma non possono simulare le eterogeneità ottiche laterali19. Bentz e altri hanno utilizzato un metodo di stampa 3D FDM a due canali per imitare diverse proprietà ottiche del tessuto biologico23. Tuttavia, l’utilizzo di due materiali non può simulare sufficientemente l’eterogeneità ottica dei tessuti e l’anisotropia. Lurie et al. ha creato un fantasma della vescica per la tomografia a coerenza ottica (OCT) e la cistoscopia combinando la stampa 3D e il rivestimento di spin13. Tuttavia, le caratteristiche eterogenee del fantasma, come i vasi sanguigni, dovevano essere dipinte a mano.
Tra i processi di fabbricazione fantasma di cui sopra, la stampa 3D offre la massima flessibilità per simulare le eterogeneità strutturali e funzionali del tessuto biologico. Tuttavia, molti tipi di tessuto biologico, come il tessuto cutaneo, sono costituiti da componenti multistrato e multiscala che non possono essere efficacemente duplicati da un singolo processo di stampa 3D. Pertanto, è necessaria l’integrazione di più processi di produzione. Proponiamo una linea di produzione di stampa 3D che integra più processi di produzione per la produzione automatica di tessuti multistrato e multiscala che simulano i fantasmi come standard tracciabile per l’imaging ottico biomedico (Figura 1). Anche se il rivestimento a spin, la stampa polijet e l’FDM sono automatizzati nella nostra linea di produzione di stampa 3D, ogni modalità mantiene le stesse caratteristiche funzionali dei processi stabiliti. Pertanto, questo documento fornisce una linea guida generale per la produzione di phantom di simulazione tissutale multiscala, multistrato ed eterogenei senza la necessità di integrazione fisica di più processi in un unico apparato.
Figura 1: Il diagramma CAD della linea di produzione di stampa 3D. (A) La linea di produzione di stampa 3D con il guscio superiore rimosso. (B) Lo schema del modulo di rivestimento di spin e del modulo meccanico della mano. (C) Lo schema del modulo di stampa polyjet. (D) Lo schema del modulo di stampa FDM (la lampada UV appartiene al modulo di stampa polyjet). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nella fabbricazione del fantasma multistrato, il materiale utilizzato per il rivestimento a spin è una sorta di materiale leggero al posto del PDMS. Lo strato intermedio viene stampato con il metodo di stampa a getto polijet, che utilizza la resina luminosa come materia prima. Anche se i sottili fantasmi PDMS possono essere realizzati con rivestimento di spin dopo l’aggiunta di alcool tert-butyl, uno strato PDMS non può efficacemente legarsi al materiale leggero durante la stampa poligeti. Pertanto, abbiamo scelto la r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11002139 e 81327803) e dai Fondi di Ricerca fondamentali per le Università Centrali. Ringraziamo il team di ricerca dell’Università di Scienza e Tecnologia per aver fornito la voce fuori campo audio.
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
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