Impresión 3D multimodal de fantasmas para simular tejido biológico
Summary
El recubrimiento de espín, la impresión de polirreactores y el modelado de deposición fundida están integrados para producir fantasmas heterogéneos multicapa que simulan las propiedades estructurales y funcionales del tejido biológico.
Abstract
La imagen óptica biomédica está desempeñando un papel importante en el diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades. Sin embargo, la precisión y la reproducibilidad de un dispositivo de imagen óptica se ven muy afectadas por las características de rendimiento de sus componentes, el entorno de prueba y las operaciones. Por lo tanto, es necesario calibrar estos dispositivos mediante estándares fantasma trazables. Sin embargo, la mayoría de los fantasmas disponibles actualmente son fantasmas homogéneos que no pueden simular características multimodales y dinámicas del tejido biológico. Aquí, mostramos la fabricación de fantasmas heterogéneos de simulación de tejido utilizando una línea de producción que integra un módulo de recubrimiento de espín, un módulo de polijet, un módulo de modelado de deposición fusionada (FDM) y un marco de control automático. La información estructural y los parámetros ópticos de un “fantasma óptico digital” se definen en un archivo prototipo, importado a la línea de producción y fabricados capa por capa con interruptor secuencial entre diferentes modalidades de impresión. La capacidad técnica de una línea de producción de este tipo se ejemplifica con la impresión automática de fantasmas que simulan la piel que componen la epidermis, la dermis, el tejido subcutáneo y un tumor incrustado.
Introduction
Las imágenes ópticas biomédicas representan una familia de herramientas de imágenes médicas que detectan enfermedades y anomalías tisulares basadas en interacciones lumígicas con tejido biológico. En comparación con otras modalidades de diagnóstico por imágenes, como la resonancia magnética (RM) y la tomografía computarizada (TC), las imágenes ópticas biomédicas aprovechan la medición no invasiva de características estructurales, funcionales y moleculares del tejido utilizando dispositivos portátiles y de bajo costo1,2,3,4. Sin embargo, a pesar de su superioridad en costo y portabilidad, las imágenes ópticas no han sido ampliamente aceptadas para el diagnóstico clínico y la orientación terapéutica, en parte debido a su mala reproducibilidad y falta de mapeo cuantitativo entre parámetros ópticos y biológicos. La razón principal de esta limitación es la falta de normas trazables para la calibración cuantitativa y validación de dispositivos de imágenes ópticas biomédicas.
En el pasado, se desarrollaron una variedad de fantasmas que simulan tejidos para la investigaciónde imágenes ópticas biomédicas en varios tipos de tejidos, tales como cerebro5,6,7, piel 8,9,10,11,12, vejiga13, y tejidos mamarios14,15,16,17. Estos fantasmas son producidos principalmente por uno de los siguientes procesos de fabricación: 1) recubrimiento de espín10,18 (para simular tejido homogéneo y de capa delgada); 2) moldeo19 (para simular tejido voluminoso con características geométricas); y 3) impresión tridimensional (3D)20,21,22 (para simular tejido heterogéneo multicapa). Los fantasmas de la piel producidos por el moldeo son capaces de imitar las propiedades ópticas a granel del tejido de la piel, pero no pueden simular las heterogeneidades ópticas laterales19. Bentz et al. utilizaron un método de impresión 3D FDM de dos canales para imitar diferentes propiedades ópticas del tejido biológico23. Sin embargo, el uso de dos materiales no puede simular suficientemente la heterogeneidad óptica del tejido y la anisotropía. Lurie et al. crearon un fantasma de vejiga para la tomografía de coherencia óptica (OCT) y la cistoscopia combinando la impresión 3D y el recubrimiento de espín13. Sin embargo, las características heterogéneas del fantasma, como los vasos sanguíneos, tuvieron que ser pintadas a mano.
Entre los procesos de fabricación fantasma anteriores, la impresión 3D proporciona la mayor flexibilidad para simular las heterogeneidades estructurales y funcionales del tejido biológico. Sin embargo, muchos tipos de tejido biológico, como el tejido de la piel, consisten en componentes multicapa y multiescala que no se pueden duplicar eficazmente mediante un único proceso de impresión 3D. Por lo tanto, la integración de múltiples procesos de fabricación es necesaria. Proponemos una línea de producción de impresión 3D que integra múltiples procesos de fabricación para la producción automática de tejidomultinivel y multiescala simulando fantasmas como un estándar trazable para imágenes ópticas biomédicas(Figura 1). Aunque el recubrimiento de espín, la impresión de polijet y el FDM están automatizados en nuestra línea de producción de impresión 3D, cada modalidad conserva las mismas características funcionales que los procesos establecidos. Por lo tanto, este documento proporciona una guía general para producir fantasmas de simulación de tejido multiescala, multicapa y heterogéneos sin necesidad de integración física de múltiples procesos en un solo aparato.
Figura 1: El diagrama CAD de la línea de producción de impresión 3D. (A) La línea de producción de impresión 3D con el vaciado superior eliminado. (B) El esquema del módulo de recubrimiento de espín y el módulo de mano mecánico. (C) El esquema del módulo de impresión de polirreactor. (D) El esquema del módulo de impresión FDM (la lámpara UV pertenece al módulo de impresión de polirreactor). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
En la fabricación del fantasma multicapa, el material utilizado para el recubrimiento de espín es una especie de material curable a la luz en lugar de PDMS. La capa intermedia se imprime con el método de impresión de polijet, que utiliza la resina curable a la luz como materia prima. Aunque los fantasmas delgados de PDMS se pueden hacer mediante recubrimiento de espín después de agregar alcohol tert-butilo, una capa PDMS no puede unirse eficazmente al material curable durante la impresión de polijet. Por lo tanto,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant No. 11002139 y 81327803) y los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales. Agradecemos a Zachary J. Smith de la Universidad de Ciencia y Tecnología por proporcionar la voz en off de 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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