Name: fabrication and characterization of optical tissue phantoms containing macrostructure
Uploaded: 2018-02-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 22 s
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この作品は国立科学財団のキャリアによって支えられた賞なし。あわせて 1254767 と国立研究所のアレルギーと感染症なしを付与します。R01 AI104960。我々 は感謝して援助特性評価測定とテキサス A & M の心血管の病理学研究室マイクロ CT イメージングのためのパトリック · グリフィンとダンを認めます。

1. 選択とマトリックス材料特性の検証
<ol><li>ファントムの作製プロセス (図 1) を開始、する前に生体組織イメージング wavelength(s) で興味の吸収および散乱係数を見つけます。参照35,36の暫定的な見積もりがあります。ただし、光学定数の検証が必要かもしれません。</li>
	<li>吸収係数、μと散乱係数、μsのルックアップ テーブルを使用して '、488、535, 632, 775 nm 波長 (表 1-4および図 2– 3) でインドのインクの濃度を選択し、二酸化チタン (TiO2) 任意の光学特性を近似します。これらのレシピは、PDMS で作製したファントムに固有です。これらのテーブルは、離散的な波長で実験データを提供する、レシピの最適化は特定のアプリケーションに必要ななるかもしれない。</li>
	<li>
光学特性の確認のため選択したレシピのポリジメチルシロキサン (PDMS) スラブを作製します。
	<ol>
<li>食材の次の順序でミキシング カップを注ぎ PDMS レジンの硬化剤の重量比 10:1 を使用して: PDMS 樹脂、TiO2インドのインク、PDMS の硬化剤。 メモ: ここでは、我々 は 2 つのレシピをテスト: 1) 2 mg TiO2 + g PDMS あたり 3.5 μ L 墨と 2) 1 mg TiO2 + g PDMS あたり 10 μ L 墨。各レシピでは、光の粒子の対応する量と 4.5 g PDMS 樹脂と 0.45 g PDMS 硬化剤が使用されます。</li>
		<li>スピード ミキサーでミックス (材料表参照) 60 s。TiO2粒子混合に固執する場合カップ (TiO2の高濃度と考えられる)、カップのベースからの粒子を除去する手で混合、別の 30 のミキサーでミックス s。</li>
		<li>井戸や薄膜を確認するシャーレに混合物を注ぐ (0.1-1 mm) の混合物のスラブ。</li>
		<li>ドガ気密負圧室、30-60 分で 80 ° C で事前に加熱されたオーブンの場所にそれらを置くことによって 10 分間スラブは、オーブンから除去し、涼しい許可しなさい。</li>
		<li>冷却ポリマー スラブをコンテナーから削除します。フラット、制服のスラブを残してエッジを切り落とします。キャリパーを使用してスラブの厚さを測定します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
透過率 (T) と積分球を用いた slab(s) (R) 反射率を測定します。詳細および手順については、逆追加倍増 (IAD) マニュアル37で見つけることが。
	<ol>
<li>光源・積分球セットアップの分光器をオンにします。小さな、平行ビームを確保するためのシステムの配置、積分球の入り口と出口ポートを中心にチェックしてください。</li>
		<li>積分球システムを調整します。<ol>
<li>ソースをオフに、積分球の出口ポートのキャップおよび 3 つの暗いスペクトルを記録します。</li>
			<li>頂いた出口ポートと空の入り口ポート伝送参照を取得するソースをオンに戻します。三つのスペクトルを記録します。</li>
			<li>反射率基準測定反射率の規格を使用してを取得します。球の出口ポートに各標準を置きなさい。各反射率標準の 3 つのスペクトルを記録します。</li>
		</ol>
</li>
		<li>スラブの透過率を測定します。出口ポートのキャップ、透過測定用積分球の入力ポートにスラブを配置します。三つのスペクトルを記録します。</li>
		<li>スラブの反射率を測定します。出口ポート キャップをはずし、反射率測定の出口ポートにスラブを配置します。三つのスペクトルを記録します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
IAD ソフトウェアを使用して光学的性質を決定します。ソフトウェア ダウンロード37,38で IAD 手動でソフトウェアの完全なチュートリアルを見つけることが。
	<ol>
<li>三つのスペクトルを測定ごとに取得平均。</li>
		<li>IAD マニュアル37の方程式を使用して、これらの測定値を R および T の値に変換します。必要な場合は、スペクトルに沿ってサンプリング レートを減らすことによってファイルを凝縮します。</li>
		<li>波長、反射率、透過率、およびサンプル厚さ IAD マニュアル37で説明したように、IAD の入力 .rxt ファイル (補足資料 1) を準備します。コマンド プロンプト (Windows OS) またはターミナル (Mac OS) を使用して、正しいパスに移動します。「Iad ' 入力ファイル名'」に IAD を実行を入力します。ソフトウェア推定の光学特性と出力テキスト ファイルが生成されます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>光学特性は、目的の値の許容範囲 (~ 15%) 以内には場合、に応じてレシピを変更し、手順 1.3-1.5 を繰り返します。</li>
</ol>2. 溶ける 3 D の準備が内部構造を印刷
<ol><li>コンピューターを使用して内部構造を設計支援設計 (CAD) ソフトウェアです。構造ソリッド モデルを 3 D プリンターで製作する光造形ファイルに変換します。かどうか、分割 CT スキャンすることができますもファイルに変換する、光造形内部構造のソリッド モデルを描画するのではなく。 注: ここで使用されるフラクタル ツリー構造の CAD ファイルは、補足資料 2に提供されます。本稿で使用するプリンターは、部分の脱却支援材料があるに押し出してプリンターです。</li>
	<li>ポリビニル アルコール (PVA) や耐衝撃性ポリスチレン (HIPS) などの印刷用の溶ける材料を選択 (材料の表を参照してください)。この溶ける素材のソリッド モデルを印刷します。</li>
	<li>印刷部分が十分に冷却、破る、溶解、またはマシン、印刷部分を支援材料。ファイルまたは任意の大規模な欠陥から砂を。</li>
	<li>
蒸気は、表面粗さを抑える印刷部分を磨きます。
	<ol>
<li>逆にセキュリティで保護された印刷の部品と印刷部分のベースに薄い鋼またはニチノール ワイヤーのクリアランスで貫通穴をドリルします。</li>
		<li>ステンレス鋼または穴を通してニチノール ワイヤを通します。ワイヤーの両端を曲げるし、一緒にフックします。これはビーカー内のアセトンの蒸気で完全に浸漬するための部分となります。ワイヤーで脇部分を設定します。</li>
		<li>埋める大ビーカーに約 10% アセトンのフル。100 ° C に加熱しながらホット プレート上のビーカーを配置します。注意: は、アセトン蒸気の吸入を防ぐために発煙のフードでこの手順を実行します。</li>
		<li>部品はビーカーを触れないでアセトン蒸気の凝縮に達するについて途中でビーカーの壁を第 2 のワイヤのモックの気道をループワイヤーをハングおよび 15-30 s. 確認印刷アセトン蒸気で中断するとき壁または各他 (蒸気の研磨複数部分を一度に)。</li>
		<li>印刷部分を削除し、空のビーカーまたはコンテナー上中断します。少なくとも 4 時間のための乾燥部分ましょう。</li>
	</ol>
</li>
	<li>必要に応じて内部構造の寸法は CAD 設計に許容範囲内でを確認します。精度の要件に応じてノギスや 3 D レーザースキャナーは、構造を測定する使用できます。</li>
</ol>3. 耐熱金型の構造
注: は、PDMS ファントムを形成する漏れ防止、耐熱金型を準備します。最後のファントムのデザインに合わせて金型の形状を選択します。ここでは、再利用可能な長方形の型を説明しています。
<ol><li>3 D プリントに金型のソリッド モデルのベースをデザインします。この金型は、1.17 x 1.79 cm のベースとファントムの設計されています。金型のベースには、幻のベースに一致する内側の寸法の厚さ 1 mm と 5 mm の深い凹部があります。これにより、削除するサイディングにカビやカビを分解し再利用します。</li>
	<li>金型のサイディングをセキュリティで保護するための十分な幅のはめ込みと金型のベースを印刷します。</li>
	<li>モールド ベースの凹部にサイディングを配置します。ここでは、1 mm 厚さのポリカーボネート シートは、金型の下見張りとして使用されます。</li>
	<li>耐熱テープを使用すると、金型のエッジをシールします。すべてのコーナーとエッジが十分にない泡成形プロセス中に任意の漏れを防ぐためにテープで密封されるが不可欠です。</li>
	<li>手順 3.4 で金型内部ポリカーボネート ベース プレートを配置します。このベース プレート金型サイディングと同じ 1 mm 厚さのポリカーボネート シートは、モールド ベースの 3 D 印刷面の粗さのない滑らかな表面のファントムの基盤を与える.接着剤が完全に乾燥蒸気がベース プレートの部分を研磨します。接着剤を乾燥させるのに十分な時間を許可します。</li>
</ol>4. 高分子ファントムの作製
注: は、特定のアプリケーションの手順 1 で決定された一括マトリックス材料の検証済みのレシピを使用します。ここのプロトコルでは、手順を説明します健康なマウス肺組織の 535 でファントム μsで nm ' 40 cm-1 μ、 2 cm-1の。ない光粒子作製プロセスの基準として使用する 2 番目のファントムを作製することができます。
<ol><li>PDMS 樹脂の 9.1 g を混合プラスチックのカップに注ぐ。ルチル TiO2インドのインクの 35 μ l に続いての 20 mg を追加します。最後に 0.91 g 硬化剤混合物の上を追加します。1.3.2 の手順で混合のプロトコルに従ってください。</li>
	<li>耐熱性カビに最終的なポリマーの混合物を注ぐ。</li>
	<li>材料の光学特性の確認のためポリマー スラブを作成する別の容器に少量の混合物を注ぐ。十分なポリマーが少なくとも 100 μ m の厚みのスラブに注がれるを確認します。</li>
	<li>脱気用ベルジャーにモック気道型と別のスラブを配置します。真空プロセスを開始します。モック気道型のポリマーに上昇、空気表面の泡を破裂するベルジャーに戻って起動する場合もう一度空気をプルし始めます。ポリマーが大幅上昇しないするまでこの手順を繰り返します。これは 4.2 の手順中にどのくらいの空気が閉じ込められたによって 5-10 分間かかります。一度、PDMS はもはや上昇、別の 15 分のガスを抜き続けます。</li>
	<li>脱泡後部屋に戻って空気をゆっくり入れます。模擬ファントムの気道と高分子スラブの両方を削除し、レベル 80 ° C 2 時間オーブンで配置します。</li>
	<li>ファントムとスラブをオーブンから取り出し、硬化ポリマーを切断することがなく 20 分分解高分子鋳型メスに冷ます。モック気道基地ベース プレートをスナップします。</li>
	<li>内部の部品が完全に溶解するまで温水 (60 ° C) ~0.5 M 水酸化ナトリウム (NaOH) の基本お風呂でファントムを配置します。光学的に明確な基準ファントム内部のコンポーネントの溶解時間を判断に役立ちます。内部構造を溶解すると、風呂からファントムを取る、任意の光学測定を行う前に (~ 24 h) を完全に乾燥させます。</li>
</ol>5. ファントム作製の検証
<ol><li>必要な場合は、高分解能磁気共鳴イメージング (MRI) またはマイクロ コンピューター断層撮影 (CT) 画像を使用して幻のジオメトリを確認します。これらのメソッドは、軸方向の解像度と汚濁物質の内部構造の 3 D 検証を提供する < 400 μ m39,40。また、光学的に明確な基準ファントムは残りのボイドは正しいジオメトリと印刷部分が完全に解散した検証のため光学的にイメージ化します。 注: マイクロ CT 上、北斗イメージング (NSI) X50 で光を通さないファントム (2 mg TiO2 + 3.5 μ l 墨) の内部形状を検証しました。怪人は、すべての次元 (補足資料 3, 4) で 20 μ m の分解能でイメージしました。</li>
	<li>高分子スラブと (1.5-1.6 の手順で説明) 積分球を用いたファントムの光学特性を確認します。</li>
</ol>

<ol>
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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+thin+poly(dimethylsiloxane)-based+tissue-simulating+phantoms+with+tunable+reduced+scattering+and+absorption+coefficients+at+visible+and+near-infrared+wavelengths.">Characterization of thin poly(dimethylsiloxane)-based tissue-simulating phantoms with tunable reduced scattering and absorption coefficients at visible and near-infrared wavelengths.</a> J Biomed Opt. 19 (11), 115002 (2014).</li><li>Meissner, S., Knels, L., Krueger, A., Koch, T., Koch, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+three-dimensional+optical+coherence+tomography+and+intravital+microscopy+for+imaging+subpleural+pulmonary+alveoli+in+isolated+rabbit+lungs.">Simultaneous three-dimensional optical coherence tomography and intravital microscopy for imaging subpleural pulmonary alveoli in isolated rabbit lungs.</a> J Biomed Opt. 14 (5), 054020 (2009).</li><li>Morris, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+nuclear+magnetic+resonance+property+of+lung.">A new nuclear magnetic resonance property of lung.</a> J Appl Phys. 58 (3), 759-762 (1985).</li><li>Hearon, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+Shape+Memory+Polymers.">Porous Shape Memory Polymers.</a> Polym Rev (Phila Pa). 53 (1), 41-75 (2013).</li></ol>

著者が明らかに何もありません。

内部空気組織インターフェイスをシミュレートするために内部の分岐構造を持つマウス肺を表す光のファントムを作成する方法を説明してきました。マウス肺組織の光学特性は、光散乱・吸収ゆく一括マトリックス高分子内分散粒子のユニークな濃度を組み込むことによって達成されます。これらの光学特性は、さまざまな状態 (すなわち病気の組織と健康な) 組織の異なったスペクト...

組織ファントム、システム特性と超音波または核モダリティ1,2,3 を組み込んだマルチモダリティ システムを含む光学イメージングと分光機器の校正のため広く使用されて ,4。ファントムは、制御光環境システムの特性評価と複数のバイオ イメージング技術の品質管理を提供します。組織模倣ファントムがシステムのパフォーマンスの予測と生理学の作業手でのシステムの設計の最適化に便利なツールたとえば、腫瘍の評価用分光プローブのプロービングの深さを予測する5 を余白します。光学的性質とファントムの構造設計、楽器使用されます、したがってフィージビリティスタディやシステム パフォーマンス3の検証を可能にする特定の生理学的な環境を模倣するように調整できます。 6,7。イメージングの前臨床試験や臨床試験に入る前にリアルな光学ファントムとシステムのパフォーマンスの検証は、故障のリスクや生体内での研究中に使用不可能なデータの集録を低減します。再現性と光ファントムの安定性は、それらがさまざまな楽器での多施設共同の臨床試験を中心に、内間 instrument の変動を監視するための光学的手法のためのカスタマイズ可能な校正標準器演算子、および環境条件8,9。
組織模倣ファントムは、光学理論の検証のための可変で再現可能な物理モデルとしても使用。10,11を実験動物の必要性を低減しながら、シミュレーションは設計および生体内で光学機器の最適化支援します。開発と体内環境を正確に表す光学シミュレーションの妥当性は、組織構造、生化学的な内容、ターゲットや、体内組織の位置の複雑さによって妨げられることができます。被験者間変動動物または人間による挑戦的な理論的モデルの検証になります。高分子光の組織ファントム理論モデルの検証を光子移行12,13,14,15を研究するための知られており、再現可能な光環境を提供することによって可能にします。
システム校正を目的として光ファントムは光散乱、吸収、または関心の波長チューニング蛍光硬化ポリマーの単一均質なスラブで構成されます。層状高分子ファントムは頻繁、上皮性のティッシュのモデル16,17組織の光学特性の深さの分散を模倣するために使用されます。これらの幻の構造は、組織構造、各層を通じて極めて均質的なので上皮イメージングと形状モデリング、十分です。しかし、大規模で複雑な構造は、他の臓器における輻射輸送を影響します。複雑なファントムを作成するメソッドは、皮下血管18,19とも全臓器、膀胱20などの光環境をシミュレートするために開発されています。空気組織インターフェイスの分岐構造のため独特の問題は、肺の軽輸送のモデリング固体ファントムが可能性がレプリケートされない機関における輻射輸送正確に21。光学ファントムに複雑な構造を組み込むための方法を記述するには、(図 1) 気道の立体 (3 D) 巨視的構造を表す void 内部、再現可能なフラクタル ツリーを作成する方法をについて説明します。
過去数十年の医療機器のモデル22ラピッドプロトタイピングの優勢な方法となっている 3 D プリントと光の組織ファントムも例外ではありません。3 D プリントは、チャネル23、血管ネットワーク24全身小動物モデル25と光のファントムを製造するため、添加剤の製造ツールとして使用されています。これらのメソッドは、ユニークな光学特性を持つ 1 つまたは 2 つの印刷材料を使用します。メソッドは、一般的な濁った生体25,26を模倣する印刷材料の光学特性を調整する開発されています。ただし、このメソッドはすべての生体組織に適していないので、達成可能な光学特性の範囲は印刷物、アクリロニ トリルのブタジエンのスチレン (ABS)26など通常のポリマーによって制限されます。ポリジメチルシロキサン (PDMS) は、容易に散乱・吸収で高い可変性27,28粒子と混合することができる光学的に透明ポリマーです。PDMS はまた動脈瘤塞栓デバイス29,30の展開モデルのファントムを金型に使用されています。これらのファントムも溶ける 3 D プリント パーツを利用が、光学デバイスの展開を可視化するための明確なまま。ここでは、組織の予備的モデルとマウス肺の気道を作製する散乱粒子を吸収と PDMS の光学特性の可変性このメソッドと組み合わせています。
紹介ファントムは肺に固有ですが、プロセスは様々 な他の臓器に適用できます。幻の内部構造の 3 D プリントは、かどうかは、血液またはリンパ血管網、骨髄、または心31の 4 のチェンバード構造も目的と印刷可能なスケール、カスタマイズできるようにデザインできます。光学イメージングおよび肺32,33,34のモデリングに興味がある、ので、ファントムの高分子内のレプリケートを内部構造として 4 世代フラクタル ツリーを使用しました。この構造体は、3 D 印刷プロセスのブレーク離れてサポート材料をして気道の分岐構造を近似設計されました。休憩離れてサポート素材が必要ない場合、もっと解剖学的に正しい気道を印刷できます。この特定のモデルは、気道を表しているが、幻の内部構造は材料のボイドを維持するはありません。周囲のポリマーを硬化させるし、3 D プリント パーツを解散、一度内部の構造使用できますフロー経路、またはセカンダリ金型として独自のユニークな吸収と散乱特性を持つ材料の。たとえば、この議定書から内部の構造をデジタル骨には、気道ではなく設計した、骨の構造は 3 D 印刷、PDMS、指の光学的性質と成形し、怪人のうち、溶解にかもしれない。ボイドは異なる光学特性と PDMS の混合物と、満たされることが。また、各金型は単一の溶ける部品に限定ではありません。指のファントムを作成して、骨、静脈、動脈、それぞれ独自のユニークな光学特性を持つ一般的な軟部組織層などでした。

<table><tbody><tr><td>Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>184 SIL ELAST KIT 0.5KG</td><td>Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms</td></tr><tr><td>White Rutile Titanium Dioxide powder</td><td>Atlantic Equipment Engineers</td><td>TI-602</td><td>Scattering particles for optical phantoms</td></tr><tr><td>Higgins Fountain Pen India Ink</td><td>Michaels Craft Stores</td><td>&amp;nbsp;10015483</td><td>Absorbing particles for optical phantom</td></tr><tr><td>Heat Resistant tape</td><td>Uline</td><td>S-7595</td><td>Heat resistant tape for polymer molds</td></tr><tr><td>Fortus 360mc 3D printer</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>Able to switch build and support material with this model printer</td></tr><tr><td>ABS Ivory Model Material</td><td>Stratasys</td><td>SDS-000001</td><td>Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SR-30 Soluble Support</td><td>Stratasys</td><td>400638-0001</td><td>Base soluble support material for printing internal structure</td></tr><tr><td>Flacktek Speedmixer</td><td>Flacktek Inc.</td><td>DAC 150.1 FV</td><td>For efficient mixing of polymer and particles&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Integrating sphere</td><td>Edmund Optics</td><td>58-585</td><td>For measuring optical properties</td></tr><tr><td>Polycarbonate build plates (1 mm)</td><td>Stratasys</td><td>N/A</td><td>Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used</td></tr></tbody></table>

fabrication and characterization of optical tissue phantoms containing macrostructure

新しい光学イメージング技術の急速な発展、低コスト、カスタマイズ可能で、容易に再現できる基準の可用性に依存します。イメージング環境をレプリケートすることによりテクニックを検証する高価な動物実験を回避する可能性があります。予測と体内と体外イメージング技術のパフォーマンスを最適化する光のような興味の組織には、サンプルのテストが必要です。組織模倣光ファントムは、評価、特性評価、または光学系のキャリブレーション標準を提供します。狭いスペクトルの範囲内の特定の組織型の光学特性を模倣する均質なポリマー光の組織ファントム広く使用されます。表皮や真皮などの層状組織は、単にこれらの均質なスラブのファントムを積み重ねることによってまねることができます。しかし、多くの生体内イメージング技術が、組織欠損や気道、血管などの三次元構造がイメージング システムのパフォーマンスに影響を与えることができますより多くの複雑な空間的組織に適用されます。
このプロトコルでは、組織の光学特性を持つ材料を用いた三次元構造の複雑さを組み込んだ組織模倣のファントムの作製について説明します。ルックアップ テーブルは、光の吸収と散乱ターゲットの墨と二酸化チタンのレシピを提供します。特徴し、材料の光学特性を調整する方法を説明します。この資料で詳細なファントムの作製は内部分岐モック気道ボイド;しかし、技術は、他の組織や器官の構造に広く適用できます。

535 で摘出した健康と炎症を起こしたマウス肺組織の測定の光学特性をシミュレートするために作製したマウス肺組織ファントム ファントムの作製技術を示すためには、nm (表 5)。この波長は、以前の研究33で抗酸菌の遺伝子組換え記者系統で使用される tdTomato 蛍光タンパク質の励起波長です。マウス肺組織の光学的測定は、1.4-1.5 の手順...

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Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

光の組織ファントムは、校正と光学イメージング システムの評価と理論モデルの検証の基本ツールです。この記事は、組織の光学特性と 3次元組織構造のレプリケーションを含むファントムの作製法を詳しく説明します。

マクロを含む光の組織ファントムの作製と評価

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...

fabrication-characterization-optical-tissue-phantoms-containing

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.5K ビュー.  Texas A&M University. 光の組織ファントムは、校正と光学イメージング システムの評価と理論モデルの検証の基本ツールです。この記事は、組織の光学特性と 3次元組織構造のレプリケーションを含むファントムの作製法を詳しく説明します。

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Fabrication of Biologically Derived Injectable Materials for Myocardial Tissue Engineering

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications. Briefly, decellularized tissue is lyophilized, milled, enzymatically digested, and then brought to physiological pH. The lyophilization removes all water content from the tissue, resulting in dry ECM that can be ground into a fine powder with a small mill. After milling, the ECM powder is digested with pepsin to form an injectable matrix. After adjustment to pH 7.4, the liquid matrix material can be injected into the myocardium. Results of previous characterization assays have shown that matrix gels produced from decellularized pericardial and myocardial tissue retain native ECM components, including diverse proteins, peptides and glycosaminoglycans. Given the use of this material for tissue engineering, in vivo characterization is especially useful; here, a method for performing an intramural injection into the left ventricular (LV) free wall is presented as a means of analyzing the host response to the matrix gel in a small animal model. Access to the chest cavity is gained through the diaphragm and the injection is made slightly above the apex in the LV free wall. The biologically derived scaffold can be visualized by biotin-labeling before injection and then staining tissue sections with a horse radish peroxidase-conjugated neutravidin and visualizing via diaminobenzidine (DAB) staining. Analysis of the injection region can also be done with histological and immunohistochemical staining. In this way, the previously examined pericardial and myocardial matrix gels were shown to form fibrous, porous networks and promote vessel formation within the injection region.

Methods for preparing an injectable matrix gel from decellularized tissue and injecting it into rat myocardium in vivo are described.

心筋組織工学のための生物由来注射用材料の作製

This protocol provides methods for the preparation of an injectable extracellular matrix (ECM) gel for myocardial tissue engineering applications.  ...

生物工学

Fabrication of Micro-tissues using Modules of Collagen Gel Containing Cells

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized tissues.  The modules can be made of collagen as well as other gelable or crosslinkable materials.  They are approximately 2 mm in length and 0.7 mm in diameter upon fabrication but shrink in size with embedded cells or when the modules are coated with endothelial cells.  The modules individually are small enough that the embedded cells are within the diffusion limit of oxygen and other nutrients but modules can be packed together to form larger tissues that are perfusable.  These tissues are modular in construction because different cell types can be embedded in or coated on the modules before they are packed together to form complex tissues.  There are three main steps to making the modules: (1) neutralizing the collagen and embedding cells in it, (2) gelling the collagen in the tube and cutting the modules and (3) coating the modules with endothelial cells.

Creation of micro-tissues using cylindrical collagen gels, called modules, that contain embedded cells and which surface is coated with endothelial cells.

コラーゲンゲル含有する細胞のモジュールを使用してマイクロ組織の作製

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized ...

Fabrication and Application of Rose Bengal-chitosan Films in Laser Tissue Repair

Photochemical tissue bonding (PTB) is a sutureless technique for tissue repair, which is achieved by applying a solution of rose bengal (RB) between two tissue edges1,2. These are then irradiated by a laser that is selectively absorbed by the RB. The resulting photochemical reactions supposedly crosslink the collagen fibers in the tissue with minimal heat production3. In this report, RB has been incorporated in thin chitosan films to fabricate a novel tissue adhesive that is laser-activated. Adhesive films, based on chitosan and containing ~0.1 wt% RB, are fabricated and bonded to calf intestine and rat tibial nerves by a solid state laser (&lambda;=532 nm, Fluence~110 J/cm2, spot size~0.5 cm). A single-column tensiometer, interfaced with a personal computer, is used to test the bonding strength. The RB-chitosan adhesive bonds firmly to the intestine with a strength of 15 &plusmn; 6 kPa, (n=30). The adhesion strength drops to 2 &plusmn; 2 kPa (n=30) when the laser is not applied to the adhesive. The anastomosis of tibial nerves can be also completed without the use of sutures. A novel chitosan adhesive has been fabricated that bonds photochemically to tissue and does not require sutures.

Sutures are usually needed to repair tissue during surgical procedures. However, their application can be problematic as they are invasive and may damage tissue. The fabrication and application methods of a novel tissue adhesive are here reported. This adhesive film is laser-activated and does not require the use of sutures.

レーザー組織修復にローズベンガル-キトサン膜の作製と応用

Photochemical tissue bonding (PTB) is a sutureless technique for tissue repair, which is achieved by applying a solution of rose bengal (RB) between two ...

Construction of a Preclinical Multimodality Phantom Using Tissue-mimicking Materials for Quality Assurance in Tumor Size Measurement

World Health Organization (WHO) and the Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST) working groups advocated standardized criteria for radiologic assessment of solid tumors in response to anti-tumor drug therapy in the 1980s and 1990s, respectively. WHO criteria measure solid tumors in two-dimensions, whereas RECIST measurements use only one-dimension which is considered to be more reproducible 1, 2, 3,4,5. These criteria have been widely used as the only imaging biomarker approved by the United States Food and Drug Administration (FDA) 6. In order to measure tumor response to anti-tumor drugs on images with accuracy, therefore, a robust quality assurance (QA) procedures and corresponding QA phantom are needed.
To address this need, the authors constructed a preclinical multimodality (for ultrasound (US), computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI)) phantom using tissue-mimicking (TM) materials based on the limited number of target lesions required by RECIST by revising a Gammex US commercial phantom 7. The Appendix in Lee et al. demonstrates the procedures of phantom fabrication 7. In this article, all protocols are introduced in a step-by-step fashion beginning with procedures for preparing the silicone molds for casting tumor-simulating test objects in the phantom, followed by preparation of TM materials for multimodality imaging, and finally construction of the preclinical multimodality QA phantom. The primary purpose of this paper is to provide the protocols to allow anyone interested in independently constructing a phantom for their own projects. QA procedures for tumor size measurement, and RECIST, WHO and volume measurement results of test objects made at multiple institutions using this QA phantom are shown in detail in Lee et al. 8.

This paper describes in-house procedures of constructing a preclinical multimodality phantom made of tissue-mimicking (TM) materials for quality assurance (QA) of tumor size measurement in animal imaging modalities such as ultrasound (US), computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI).

腫瘍サイズ測定における品質保証のために組織模倣材料を用いた前臨床マルチモダリティファントムの構築

World Health Organization (WHO) and the Response Evaluation Criteria in Solid Tumors (RECIST) working groups advocated standardized criteria for ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

三次元インクジェット印刷技術を用いて、ヒト軟骨組織の作製

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of cutaneous wound healing on the skin. Existing methods, however, still rely on visual inspections through various microscopic tools and devices that normally include high-cost, sophisticated systems and require well trained personnel for operation and data analysis. Here, we describe methods and protocols to fabricate a conformal, skin-like electronics system that enables conformal lamination to the skin surface near the wound tissues, which provides recording of high fidelity electrical signals such as skin temperature and thermal conductivity. The methods of device fabrication provide details of step-by-step preparation of the microelectronic system that is completely enclosed with elastomeric silicone materials to offer electrical isolation. The experimental study presents multifunctional, biocompatible, waterproof, reusable, and flexible/stretchable characteristics of the device for clinical applications. Protocols of clinical testing provide an overview and sequential process of cleaning, testing setup, system operation, and data acquisition with the skin-like electronics, gently mounted on hypersensitive, cutaneous wound and contralateral tissues on patients.

This article presents methods to fabricate and characterize a conformal, skin-like electronic system and protocols for the use in clinical applications, particularly on cutaneous wound management.

定量的、皮膚が創傷管理のためのコンフォーマルスキンのような電子システムの作製と評価

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of an optical imaging device are greatly affected by the performance characteristics of its components, the test environment, and the operations. Therefore, it is necessary to calibrate these devices by traceable phantom standards. However, most of the currently available phantoms are homogeneous phantoms that cannot simulate multimodal and dynamic characteristics of biological tissue. Here, we show the fabrication of heterogeneous tissue-simulating phantoms using a production line integrating a spin coating module, a polyjet module, a fused deposition modeling (FDM) module, and an automatic control framework. The structural information and the optical parameters of a &#34;digital optical phantom&#34; are defined in a prototype file, imported to the production line, and fabricated layer-by-layer with sequential switch between different printing modalities. Technical capability of such a production line is exemplified by the automatic printing of skin-simulating phantoms that comprise the epidermis, dermis, subcutaneous tissue, and an embedded tumor.

Spin coating, polyjet printing, and fused deposition modeling are integrated to produce multilayered heterogeneous phantoms that simulate structural and functional properties of biological tissue.

生体組織をシミュレートするファントムのマルチモーダル3Dプリンティング

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

工学

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a conventional optical system with an integrating sphere. Measuring systems for the acquisition of the diffuse reflectance and total transmittance spectra are constructed with a broadband white light source, a light guide, an achromatic lens, an integrating sphere, a sample holder, an optical fiber probe, and a multi-channel spectrometer. An acrylic mold consisting of two rectangular acrylic pieces and a U-shaped acrylic piece is constructed to create an epidermal phantom and a dermal phantom with whole blood. The application of a sodium dithionite (Na2S2O4) solution to the dermal phantom enables the researcher to deoxygenate hemoglobin in red blood cells distributed in the dermal phantom. The inverse Monte Carlo simulation with the diffuse reflectance and total transmittance spectra measured by a spectrometer with an integrating sphere is performed to determine the absorption coefficient spectrum &#181;a(&#955;) and the reduced scattering coefficient spectrum &#181;s&#39;(&#955;) of each layer phantom. A two-layered phantom mimicking the diffuse reflectance of human skin tissue is also demonstrated by piling up the epidermal phantom on the dermal phantom.

Here, we demonstrate how agarose-based tissue-mimicking optical phantoms are made and how their optical properties are determined using a conventional optical system with an integrating sphere.

拡散反射率分光用光学ファントムを模倣したアガロース ベース組織

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create anatomically accurate head phantoms with realistic brain imaging properties because standard fabrication methods are not optimized to replicate any patient-specific anatomical detail and 3D printing materials are not optimized for imaging properties. In order to test and validate a novel navigation system for use during brain tumor surgery, an anatomically accurate phantom with realistic imaging and mechanical properties was required. Therefore, a phantom was developed using real patient data as input and 3D printing of molds to fabricate a patient-specific head phantom comprising the skull, brain and tumor with both ultrasound and X-ray contrast. The phantom also had mechanical properties that allowed the phantom tissue to be manipulated in a similar manner to how human brain tissue is handled during surgery. The phantom was successfully tested during a surgical simulation in a virtual operating room.
The phantom fabrication method uses commercially available materials and is easy to reproduce. The 3D printing files can be readily shared, and the technique can be adapted to encompass many different types of tumor.

This protocol describes the fabrication of a patient specific skull, brain and tumor phantom. It uses 3D printing to create molds, and polyvinyl alcohol (PVA-c) is used as the tissue mimicking material.

超音波による患者特異的ポリビニルアルコールファントム作製法とX線コントラストによる脳腫瘍手術計画

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

生物学的に関連性のある安定したファントム材料の作製

A Stable Phantom Material for Optical and Acoustic Imaging

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging devices across vendors and institutions, support the development of internationally recognized standards, and assist the clinical translation of novel technologies. Here, a manufacturing process is presented that results in a stable, low-cost, tissue-mimicking copolymer-in-oil material for use in photoacoustic, optical, and ultrasound standardization efforts.
The base material consists of mineral oil and a copolymer with defined Chemical Abstract Service (CAS) numbers. The protocol presented here yields a representative material with a speed of sound c(f) = 1,481 &#177; 0.4 m&#183;s-1 at 5 MHz (corresponds to the speed of sound of water at 20 &#176;C), acoustic attenuation &#945;(f) = 6.1 &#177; 0.06 dB&#183;cm-1 at 5 MHz, optical absorption &#181;a(&#955;) = 0.05 &#177; 0.005 mm-1 at 800 nm, and optical scattering &#181;s&#39;(&#955;) = 1 &#177; 0.1 mm-1 at 800 nm. The material allows independent tuning of the acoustic and optical properties by respectively varying the polymer concentration or light scattering (titanium dioxide) and absorbing agents (oil-soluble dye). The fabrication of different phantom designs is displayed and the homogeneity of the resulting test objects is confirmed using photoacoustic imaging.
Due to its facile, repeatable fabrication process and durability, as well as its biologically relevant properties, the material recipe has high promise in multimodal acoustic-optical standardization initiatives.

著者スポットライト:光学および音響イメージングのための安定したファントム材料  

This protocol describes the fabrication of a stable, biologically relevant phantom material for optical and acoustic biomedical imaging applications, featuring independently tunable acoustic and optical properties.

光学・音響イメージングのための安定したファントム材料

Establishing tissue-mimicking biophotonic phantom materials that provide long-term stability are imperative to enable the comparison of biomedical imaging ...

マクロを含む光の組織ファントムの作製と評価

要約

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心筋組織工学のための生物由来注射用材料の作製

コラーゲンゲル含有する細胞のモジュールを使用してマイクロ組織の作製

レーザー組織修復にローズベンガル-キトサン膜の作製と応用

腫瘍サイズ測定における品質保証のために組織模倣材料を用いた前臨床マルチモダリティファントムの構築

三次元インクジェット印刷技術を用いて、ヒト軟骨組織の作製

定量的、皮膚が創傷管理のためのコンフォーマルスキンのような電子システムの作製と評価

生体組織をシミュレートするファントムのマルチモーダル3Dプリンティング

拡散反射率分光用光学ファントムを模倣したアガロースベース組織

超音波による患者特異的ポリビニルアルコールファントム作製法とX線コントラストによる脳腫瘍手術計画

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