该协议描述了用于光学和声学生物医学成像应用的稳定,生物学相关模型材料的制造,具有独立可调的声学和光学特性。
建立提供长期稳定性的组织模拟生物光子模拟材料对于跨供应商和机构的生物医学成像设备的比较、支持国际公认标准的制定以及协助新技术的临床转化至关重要。这里介绍了一种制造工艺,该工艺产生了一种稳定、低成本、组织模拟油中共聚物的材料,用于光声、光学和超声标准化工作。
基础材料由矿物油和具有定义化学文摘服务(CAS)编号的共聚物组成。这里提出的协议产生了一种代表性材料,在5 MHz时声速c(f)= 1,481 ± 0.4 m·s-1(对应于水在20 °C时的声速),在5 MHz时声衰减α(f) = 6.1 ± 0.06 dB·cm-1,在800 nm处的光吸收μa(λ) = 0.05 ± 0.005 mm-1, 和800 nm 处的光散射μ s’(λ) = 1 ± 0.1 mm-1。该材料允许通过分别改变聚合物浓度或光散射(二氧化钛)和吸收剂(油溶性染料)来独立调整声学和光学特性。展示了不同模型设计的制造,并使用光声成像确认了所得测试对象的均匀性。
由于其简单、可重复的制造工艺和耐用性,以及其生物学相关特性,该材料配方在多模态声光学标准化计划中具有很高的前景。
通过技术验证1,2建立新型光学成像生物标志物的精密度和准确性对于确保其在临床实践中的成功实施至关重要。为了实现这一目标,技术验证研究经常采用耐用的物理模型,这有助于仪器间性能评估和常规质量控制。为了在研究和临床转化中广泛使用幻影材料,需要一种简单、高度可重复的制造方案。理想的生物光子模型材料应包括以下特性3:(1)在生物学相关范围内独立可调性质;(2)机械坚固性;(3)长期稳定;(4)几何形状和结构的灵活性;(5)安全处理;(6)可从标准科学供应商处购买的广泛可用的成分;(7)成本低。目前,生物光子应用缺乏一种被广泛接受的幻影材料的标准化协议,该协议满足概述的要求,并且还包括用于混合应用的可调谐声学特性,例如光声成像(PAI)。
针对光学和声学组合应用的生物相关虚拟材料包括水凝胶4,5,聚乙烯醇(PVA)6,7,8,9和聚氯乙烯塑料溶胶(PVCP)10,11,12,13,14,15,16 .然而,这些材料的特点是具有某些局限性,限制了它们作为稳定的幻影材料的应用。例如,水凝胶容易脱水、机械损伤和细菌向内生长,从而限制了它们的保质期17,18,19。添加化学品可以延长寿命,但常见的防腐剂,如甲醛20或苯扎氯铵21,是危险的,在处理过程中需要采取谨慎措施。此外,含有水溶性染料的靶材如果不封装,可能会在基材内扩散。PVA冷冻凝胶的特点是具有更高的寿命和结构坚固性,但其制备过程涉及较长的冻融循环22。这会限制声学和光学参数23的独立可调性,并且如果略有变化,则可能导致不均匀性6,从而损害再现性。此外,在1年后观察到夹杂物中染料的扩散13。PVCP具有复杂的制造工艺,包括高达180-220°C的高温13,14,24,25。PVCP还缺乏与科学供应商的供应链26,并且可能含有基于邻苯二甲酸酯的增塑剂,这可能会对生殖和发育造成伤害27,使其成为一些国家的受控物质。
油中共聚物组合物,例如凝胶蜡28,29,30,31或基于热塑性苯乙烯弹性体32,33,34,35,36的共混物,表现出良好的纵向稳定性并具有类似组织的声学和光学特性31,35,36,37,因此在多模式应用中作为耐用的幻影候选者具有很高的潜力。此外,这类材料具有成本效益、不吸水、无毒和生物惰性35,38。声速c(f)和声衰减系数α(f)可以通过聚合物浓度33,35,39的变化在生物学相关范围内调节(表1),而光吸收μ a(λ)和减少的散射μ s‘(λ)系数可以通过添加油溶性染料或二氧化钛(TiO 2)39来改变, 分别。
在这里,提出了一种简单、易于遵循的协议,用于创建适用于光学、超声或光声设备校准的耐用油中共聚物模型。所有成分都有明确的化学文摘服务(CAS)编号,并且可从标准科学供应商处轻松获得。强调了制造过程中的潜在困难,并提出了克服这些困难的方法。虽然该协议允许制造具有一系列声学和光学特性的材料,但所提出的协议产生的材料声速为~1,481 m·s-1,与室温(20°C)下水的声速对齐40。该值被选为代表各种现有组织特性的中性标准品(表1),从而可以建立一致且可靠的参考点进行比较。通过提供这个详细的协议,我们的目标是扩大这种有前途的幻影材料类型的吸收和制造可重复性,从而促进生物光子、声学和光声验证研究,并支持临床前和临床成像应用中的常规质量控制。
在这里,提出了一个协议,旨在为稳定的生物相关材料提供通用配方,可用于创建用于多模态声学和光学生物医学成像应用的校准测量和标准化的模型。该材料先前已被证明在时间内稳定39,具有高批次间重现性,使用安全,并且由标准科学供应商提供的现成、具有成本效益的成分组成。材料属性在相关的声学和光学范围内独立可调。此外,它具有机械坚固性且不溶于水,因此可以承受粗暴处理,并且对用于超声波/光声研究的水基偶联剂呈惰性。有人强调,可以使用不同类型的夹杂物创建不同的模型设计,这些夹杂物由相同或不同的材料类型组成。鉴于这些特性,该材料满足上述理想生物光子模型的关键标准,并且与其他现有的组织模拟材料相比显示出关键优势3。通过详细说明确切的制造过程,我们希望最大限度地减少制造过程中出现的变化,从而优化其用于校准、验证和跟踪成像系统性能的使用。
已经确定了两个关键步骤对制造过程至关重要。首先,需要将成分充分混合并均匀加热,以形成均匀的材料。使用超声仪和磁力搅拌器进行混合,使用油浴进行加热,确保材料成分在基质内均匀分布。需要注意的是,油浴不要达到非常高的温度(>180°C),因为这会导致材料成分氧化,导致变黄。手动搅拌可以支持混合过程,并补偿材料-空气界面的热量不足。当使用较高浓度的TiO2 和/或聚合物以确保材料的均匀组成时,可能需要延长超声处理和混合的时间。其次,需要去除气泡以防止在基质内形成异质性。虽然这可以通过真空泵或烤箱来实现,但也应从低处小心倾倒,以尽量减少材料内的空气滞留。
该材料的一个显着优点是其热塑性特性(源自SEBS聚合物),允许其重新加热和重塑,而不会对其声学和光学性能产生任何显着影响39。然而,再加热需要逐渐小心地进行,因为如果再加热太快,材料很容易燃烧和氧化。当使用较高的LDPE浓度时,再加热也变得更加困难,因为LDPE不表现出与SEBS相同的热塑性行为。
该协议仍然存在一些限制。由于聚合物的高熔融温度(150°C),幻影模具需要由耐热材料制成,例如玻璃或不锈钢。此外,如果使用高聚合物浓度来调节声学特性,则材料在液态下相当粘稠,使得填充小成像目标变得困难。最后,声学特性的调谐到目前为止仅限于~1450-1,516 m·s-1的声速范围,该声速范围支持模拟组织,如乳房或脂肪(c = 1,450-1,480 m·s−1),但对于肌肉或肾脏等组织(c > 1,520 m·s−1)可能不足。还应考虑伴随的声学衰减变化。
在这里,我们重点介绍了该材料作为超声和光学成像应用的稳定模型的应用。然而,油中共聚物材料也显示出在弹性成像应用中的价值35,并且可能允许与磁共振成像等进一步的成像方式兼容。使用3D打印模具可以实现模型的解剖真实度,如类似研究29,47,48,49所示。早期的研究还证明了材料本身的3D可打印性,进一步扩展了其在加工和制造方面的灵活性。这些发展突显了该材料作为多模态成像应用中广泛使用的稳定幻影介质的令人兴奋的未来潜力。
The authors have nothing to disclose.
LH由NPL的MedAccel计划资助,该计划由商业,能源和工业战略部的工业战略挑战基金资助。JMG在GR 5824/1项目下获得了德国研究基金会(DFG)的资助。JJ感谢医学科学院跳板(REF:SBF007\100007)奖的资助。SEB感谢英国癌症研究中心的支持,资助号为C9545 / A29580。AMI,BZ和SR得到了英国商业,能源和工业战略部通过国家测量系统的资助。图 1 和 图 2 是使用 BioRender 创建的。
Low-density Polyethylene (LDPE) | Alfa Aesar | 43949.30 CAS: 9002-88-4 |
6.70 g 5.8% w/w |
Mineral oil | Sigma Aldrich | 330779-1L CAS: 8042-47-5 |
83.80 g 72.5% w/w |
Nigrosin | Sigma Aldrich | 211680-100G CAS: 11099-03-9 |
0.4 g |
Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (SEBS) | Sigma Aldrich | 200557-250G CAS: 66070-58-4 |
25.14 g 21.7% w/w |
Silicone oil for oil bath | Sigma Aldrich | 85409-1L CAS: 63148-62-9 ~1 L (depending on size of oil bath) |
|
Titanium(IV) oxide, anatase (TiO2) | Sigma Aldrich | 232033 CAS: 1317-70-0 |
0.15 g |
Antioxidant (optional; e.g., butylated hydroxytoluene) | Sigma Aldrich | W218405-1KG-K CAS: 128-37-0 |
may be added to prevent discolouration if higher fabrication temperatures are used |
Oil-solule dyes for inclusions (optional) | e.g., Caligo safe wash relief inks, Cranfield Colours, Cwmbran, UK* | may be added depending on preferred absorption | |
Bath Sonicator | Ultrawave Ltd, UK* | U500H Ultrasonic Cleaning Bath* | ideally with temperature control; recommended operating frequencies between 30-50 kHz) |
Crystallising dish for silicone oil bath (up to +200 °C) | any suitable supplier | (ext. diameter ~140 mm for 250 mL glass beaker) | |
Glass beaker (~250 mL); glass sample dishes/phantom mould | any suitable supplier | ||
Hot plate with magnetic stirrer and thermoregulator (external probe thermocouple) with maximum temperature of > 200 °C | Thermo Fisher Scientific, UK* | Velp Scientifica AREC.X Digital Ceramic Hot Plate Stirrer* | |
Laboratory scales / scientific balances accurate to 0.01 g | any suitable supplier | ||
Metallic spatula | any suitable supplier | ||
Vaccuum oven or vaccum chamber | Memmert, Germany (Vacuum oven)* Cole-Parmer Instrument Company, UK (Vaccum chamber)* |
VO29 (Vacuum oven) DWK Life Sciences (Kimble) Glass Vacuum Desiccator with Collar (Vaccum chamber)* |
|
1. Acoustic characterization system* | |||
Hydrophone | GEC Marconi | 30 mm active element diameter bilaminar membrane hydrophone | |
Oscilloscope | Tektronix UK, Bracknell, UK | DPO 7254 | |
Pulser–receiver | Olympus NDT, Waltham, MA, USA | Olympus 5073PR | |
Sample holder | Newport Spectra-Physics, Didcot, UK | Newport 605-4 Series Low-Distortion Axial Clamping Gimbal Optic Mount | may require additional adaptor for sample holding |
Thermometer | G. H. Zeal, London, UK | UKAS-calibrated IP 39C spirit-in-glass thermometer | |
Ultrasound transducer | Force Technology, Brondby, Denmark | Transducer of active element diameter 10 mm | |
Vernier callipers | any suitable supplier | ||
Water tank filled with deionized water | any suitable supplier | requires sufficent size (e.g., dimensions 112 × 38 × 30 cm3) | |
2.Optical characterization system* | |||
Integrating sphere (two) | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | AvaSphere-50, 50 cm internal diameter | |
Light source | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Avalight-HAL-s-mini | |
Motorized stage (optional) | Thorlabs, | Thorlabs MTS50 | |
Optical fibres (three) | any suitable supplier | ||
Reflectance standard | Labsphere, North Sutton, USA | 99%, white, 1.25" diameter, USRS-99-010, AS-01158-060 | |
Spectrometer | Avantes, Apeldoorn, the Netherlands | Starline Avaspec-2048 | |
Software | |||
Data acqusition software (e.g., Labview) | National Instruments, Austin, TX, USA | ||
Data analysis software (e.g., Matlab) | Mathworks, Natick, USA | ||
Inverse adding doubling (IAD) program | Source code: http://omlc.org/software/iad/ | ||
*Please note that similar equipment may also be used. |