Multimodale 3D-printen van Phantoms om biologisch weefsel te simuleren
Summary
Spin coating, polyjet Printing, en gesmolten afzetting Modeling zijn geïntegreerd om gelaagde heterogene Phantoms te produceren die structurele en functionele eigenschappen van biologisch weefsel simuleren.
Abstract
Biomedische optische beeldvorming speelt een belangrijke rol bij de diagnose en behandeling van verschillende ziekten. De nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van een optisch beeldvormings apparaat worden echter sterk beïnvloed door de prestatiekenmerken van de componenten, de testomgeving en de bewerkingen. Daarom is het noodzakelijk om deze apparaten te kalibreren door traceerbare Phantom-normen. De meeste van de momenteel beschikbare Phantoms zijn echter homogene Phantoms die multimodale en dynamische kenmerken van biologisch weefsel niet kunnen simuleren. Hier tonen we de fabricage van heterogene weefselsimulerende fantoms met behulp van een productielijn die een spin coating module, een polyjet module, een Fused depositie Modeling (FDM) module en een automatisch controlekader integreert. De structurele informatie en de optische parameters van een “digitale optische Phantom” zijn gedefinieerd in een prototype bestand, geïmporteerd naar de productielijn, en gefabriceerd laag-voor-laag met sequentiële schakelaar tussen verschillende druk modaliteiten. Technische bekwaamheid van een dergelijke productielijn wordt geïllustreerd door het automatisch printen van huid simulerende Phantoms die bestaan uit de epidermis, dermis, subcutaan weefsel en een ingesloten tumor.
Introduction
Biomedische optische beeldvorming vertegenwoordigt een familie van medische beeldvormings hulpmiddelen die ziekten en weefsel anomalieën detecteren op basis van lichte interacties met biologisch weefsel. In vergelijking met andere beeldvormings modaliteiten, zoals magnetische resonantie imaging (MRI) en computertomografie (CT), neemt biomedische optische beeldvorming het voordeel van niet-invasieve meting van weefsel structurele, functionele en moleculaire kenmerken met behulp van goedkope en draagbare apparaten1,2,3,4. Ondanks haar superioriteit in kosten en draagbaarheid, is optische beeldvorming echter niet algemeen aanvaard voor klinische diagnose en therapeutische begeleiding, deels vanwege de slechte reproduceerbaarheid en het gebrek aan kwantitatieve mapping tussen optische en biologische parameters. De belangrijkste reden voor deze beperking is het ontbreken van traceerbare normen voor kwantitatieve kalibratie en validering van biomedische optische beeldvormings apparaten.
In het verleden werd een verscheidenheid aan weefselsimulerende fantoms ontwikkeld voor biomedisch optisch beeldvormings onderzoek in verschillende weefsel typen, zoals hersenen5,6,7, huid8,9,10,11,12, blaas13en borstweefsels14,15,16,17. Deze Phantoms worden voornamelijk geproduceerd door een van de volgende fabricageprocessen: 1) spin coating10,18 (voor het simuleren van homogeen en dun-gelaagd weefsel); 2) molding19 (voor het simuleren van volumineus weefsel met geometrische kenmerken); en 3) driedimensionaal (3D) printen20,21,22 (voor simuleren gelaagde heterogene weefsel). Huid fantoms geproduceerd door molding zijn in staat om na te bootsen de bulk optische eigenschappen van huid weefsel, maar kan niet simuleren de laterale optische heterogeneities19. Bentz et al. gebruikte een tweekanaals FDM 3D-Printmethode om verschillende optische eigenschappen van biologisch weefsel na te bootsen23. Echter, met behulp van twee materialen niet voldoende weefsel optische heterogeniteit en anisotropie simuleren. Lurie et al. creëerde een blaas fantoom voor optische coherentie tomografie (OCT) en Cystoscopie door 3D-printen en spin coating te combineren13. Heterogene kenmerken van de Phantom, zoals bloedvaten, moesten echter met de hand worden geschilderd.
Onder de bovenstaande Phantom-fabricageprocessen biedt 3D-printen de meeste flexibiliteit voor het simuleren van de structurele en functionele heterogeneities van biologisch weefsel. Veel biologische weefsel typen, zoals huid weefsel, bestaan echter uit meerlaagse en multigeschaalde componenten die niet effectief kunnen worden gedupliceerd door één 3D-afdrukproces. Daarom is integratie van meerdere productieprocessen noodzakelijk. Wij stellen een 3D Printing productielijn voor die meerdere productieprocessen integreert voor de automatische productie van meerlaagse en multigeschaalde weefsel simulerende Phantoms als een traceerbare standaard voor biomedische optische beeldvorming (Figuur 1). Hoewel spin coating, polyjet Printing en FDM geautomatiseerd zijn in onze 3D Printing productielijn, behoudt elke modaliteit dezelfde functionele kenmerken als de gevestigde processen. Daarom biedt deze paper een algemene richtlijn voor het produceren van multi-geschaalde, gelaagde en heterogene weefselsimulatie fantoms zonder de fysieke integratie van meerdere processen in één apparaat.
Afbeelding 1: het CAD-diagram van de productielijn voor 3D-afdrukken. A) de productielijn voor 3D-printen met de bovenste schil is verwijderd. B) de schematische voorstelling van de spin coating module en de mechanische hand module. C) de schematische voorstelling van de polyjet-drukmodule. D) de schematische voorstelling van de fdm-print module (de UV-lamp behoort tot de polyjet Printing module). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij de fabricage van de meerlaagse Phantom is het materiaal dat voor de spin coating wordt gebruikt een soort lichtuikbaar materiaal in plaats van PDM’S. De tussenlaag wordt bedrukt met de polyjet Printmethode, die de lichtuikbare hars als grondstof gebruikt. Hoewel dunne PDMS Phantoms kunnen worden gemaakt door spin coating na het toevoegen van tert-butylalcohol, kan een PDMS laag niet effectief binden aan het lichtuikbare materiaal tijdens het printen van polyjet. Daarom kozen we voor de lichtuikbare hars voor spin coa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation van China (Grant NOS. 11002139 en 81327803) en de fundamentele onderzoeksfondsen voor de centrale universiteiten. We danken Zachary J. Smith van de University of Science and Technology voor het leveren van de audio-VoiceOver.
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).
