微流控视网膜模体3d打印应用|中国计量科学研究院胡志雄课题组《BOE》:用于光学视网膜血管成像设备评估的视网膜多血管网络模型的快速原型设计

发布日期:2024-07-05

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在当今医疗技术迅速发展的背景下,人们对视网膜血管健康的关注日益提升,因为这对保持健康视力非常重要。例如,高血压性视网膜病、视网膜血管阻塞和糖尿病视网膜病等视网膜血管病变,都可导致视力丧失。而且,视网膜血管系统的变化更是被证明可以预测可能诱发的多种疾病。因此,准确地映射视网膜血管系统已成为眼科诊断的一个关键目标。

 

针对这一需求,眼科医疗器械领域开发了多种检查视网膜血管的技术,包括眼底相机、荧光素血管造影(FA)和光学相干断层扫描血管成像(OCTA)等。然而,这些技术的校准和性能评估缺乏能够模拟人眼视网膜关键特性的适当模体。因此,中国计量科学研究院胡志雄课题组开发了一种基于3D打印模具的软光刻和旋转涂层技术,快速、高分辨率且经济地制造了一个多血管网络和多层结构的微流控视网膜模体。这种视网膜模体不仅具有与人眼相应的物理尺寸和适当的光学属性,而且已通过OCTA系统和商用共焦视网膜眼底镜的测试,证明了其作为测试设备的可行性。

 

在这项工作中,研究团队特别设计了基于微流控技术的视网膜模体。该模体包含表层血管复合体(SVC)和深层血管复合体(DVC)的多血管网络,以及十一层具有不同厚度及散射特性的层状结构以模拟真实视网膜的结构。每个血管网络分布在不同的视网膜层内,并具有不同的血管宽度和血管形态。这种设计模拟了真实视网膜的复杂血管系统,能够为视网膜成像技术提供精确的校准平台。

 

图1. 血管网络的设计。(a)表层血管复合体(SVC)的设计;(b) 深层血管复合体(DVC)血管网络的设计。

 

图2. 成功脱模的PDMS模体。(a)表层血管复合体(SVC)模体;(b)深层血管复合体(DVC)血管网络PDMS模体。

 

图3. 视网膜模体。(a)培养皿中的视网膜模体;(b)被灌注红色墨水后的视网膜模体。

 

图4. 模型眼视网膜幻影的光学相干断层扫描(OCT)和光学相干断层扫描血管成像(OCTA)三维图像。(a)OCT三维结构成像;(b)OCTA三维结构成像。

 

图5. 模型眼视网膜幻影的OCT和OCTA横断面图像。(a)视网膜模体的OCTA 俯视血管网络图像;(b-c)在(a)蓝色虚线位置的OCT和OCTA的B超图像。

 

为了模拟人眼视网膜的光学特性,该模体采用不同浓度二氧化钛纳米粉末的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为原材料进行制作。视网膜模体的设计十分复杂,对制作工艺具有较高的要求。传统的加工方式通常采用基于光刻技术的硅晶片模具进行微流控模体的制作,但基于光刻技术的硅晶片模体的制作需要特殊的洁净实验室、复杂及昂贵的加工设备、且需要较长的制作时间。所以,该团队选择采用摩方精密nanoArch® S140(精度:10μm)3D打印设备制造出模具后,再对其进行翻模,制造出简单、快速且低成本的软光刻模具。此外,团队还采用了特定的后处理方法,有效避免了由于3D打印模具中磷酸盐基光引发剂的残留而导致的PDMS固化抑制问题,完美实现了高精度复杂的3D打印模具的层状结构PDMS模体的脱模。

 

本研究的结果表明,基于3D打印制造的视网膜模体可模拟人类视网膜的结构特征和血管网络以用于OCTA等视网膜血管检测设备的性能评估。未来,这种基于3D打印制造微流控模体的技术有望降低高精度微流控芯片的制造成本,促进高精度微流控芯片的广泛使用。

 

论文连接:

https://doi.org/10.1364/BOE.523115

 

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