含宏观结构的光学组织仿体的制备与表征

该模型制备流程的总体目标是在光学特性可调的聚合物中构建小鼠气道的模型。由于内部结构采用3D打印技术制造，该 molding 工艺可应用于多种其他解剖结构。该方法有助于回答组织光学领域中的关键问题，例如，三维解剖结构如何影响光在组织中的传播。

该技术的主要优势在于可根据任何能够通过3D打印机分辨的结构进行定制。尽管该方法可作为肺部光传输的物理模型提供研究依据，但也可应用于其他系统，例如封闭系统或多材料的3D模型。首先制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）平板，采用特定配方以确认其光学特性。

按照10:1的重量比例，将PDMS树脂、二氧化钛、印度墨水和PDMS固化剂依次倒入混合杯中。充分混合材料可获得具有稳定吸收和散射特性的复合材料。此步骤对实现可重复的光学特性至关重要。

将成分在高速混合器中混合60秒。如果二氧化钛颗粒粘附在混合杯上，则先手动搅拌，使颗粒从杯底脱离，然后再放入混合器中继续混合30秒。随后将混合物倒入罗斯皿或培养皿中，制成薄片状样品。

将平板放入密闭的负压室中脱气10分钟。然后将平板置于预热至80 °C的烘箱中，加热30至60分钟。从烘箱中取出平板并冷却后，将冷却的聚合物平板从容器中取出。

然后修剪边缘，得到一个平整均匀的薄片。使用卡尺测量薄片的厚度。接下来，使用积分球测量薄片的透射率和反射率。

打开积分球装置的光源和光谱仪。检查系统的准直情况，确保细小的准直光束位于积分球入口和出口的中心位置。为校准积分球系统，需关闭光源，并用盖帽封闭积分球的出口端口。

记录三条暗光谱。重新打开光源，出口端加盖、入口端保持空置，以获取透射参考光谱。然后记录三条光谱。

接下来，使用反射率标准物质获取反射率参考测量值。将每种标准物质置于积分球的出口处，对每种反射率标准物质记录三条光谱。

接下来，测量带有出口端盖的平板的透射率。将平板放置在积分球的入口端口以进行透射测量。记录三条光谱。

为测量板状样品的反射率，取下出口端口的盖帽，将板状样品放置在出口端口进行反射率测量。记录三条光谱。随后按照文本方案中所述步骤确定光学性质。

选择一种可溶解材料进行打印，例如聚乙烯醇或高抗冲聚苯乙烯。使用该可溶解材料打印实体模型。打印完成后，通过敲碎、溶解或机械加工的方式去除打印件上的支撑材料。

使用文件或砂纸去除任何较大的不平整处。蒸气抛光对于控制表面粗糙度至关重要。3D 打印机的轴向分辨率会导致内部表面粗糙，从而引起该表面的漫反射。

为了对打印部件进行蒸汽抛光，首先将部件固定在台钳上，然后在部件底部钻一个通孔，孔径需留有足够间隙以穿过一根细钢丝或镍钛诺丝。接着，将一根不锈钢丝或镍钛诺丝穿过该孔，弯曲 wire 的两端并相互钩连。

这将使部件完全浸没在烧杯内的丙酮蒸气中。然后将金属丝和部件放置一旁。在通风橱中操作，以防止吸入丙酮蒸气，取一个大烧杯，加入约10%体积的丙酮，并将其置于加热板上。

然后加热至 100 摄氏度。当丙酮蒸气冷凝液面上升至烧杯壁约一半高度时，将带有标记气道的环形金属丝固定在另一根金属丝上，并悬置于丙酮蒸气中 15 至 30 秒。确保打印部件不接触烧杯壁，也不相互接触。

取下打印好的部件，将其悬挂在空烧杯或容器上方，静置干燥至少4小时。将9.1 g PDMS树脂倒入塑料混合杯中。

加入20 mg金红石型二氧化钛，随后加入35 µL印度墨水。最后将0.91 g固化剂加至混合物上方。将最终的聚合物混合物倒入耐热模具中。

然后将少量混合物倒入另一个容器中，制成聚合物板，以确认材料的光学特性。将标记好的气道模具和单独的聚合物板一同放入真空干燥器中进行脱气。启动真空过程。

如果标记的气道模型中的聚合物开始上升，让空气重新进入钟形罩以破裂表面气泡，然后再次开始抽气。重复此过程，直至聚合物不再明显上升为止。

这一步骤需要5到10分钟，具体时间取决于将混合物倒入模具时截留的空气量。当PDMS不再上升时，继续脱气15分钟。脱气完成后，缓慢将空气重新通入腔室。

取出标记的气道模型和聚合物板，将其放入水平的烘箱中，在 80 摄氏度下放置两小时。从烘箱中取出模型和板，静置冷却 20 分钟。然后使用手术刀拆解聚合物模具，注意不要切割到已固化的聚合物。

扣合已标记的气道基座的底板半部分。接着，将模型放入加热的氢氧化钠碱液浴中，直至其内部完全溶解。光学透明的参考模型有助于确定内部组分的溶解时间。

一旦内部结构完全溶解，将模型从水浴中取出，并在进行任何光学测量前使其彻底干燥。按照文本方案中所述方法验证模型的几何结构后，使用聚合物平板和积分球验证模型的光学特性。文中展示了3D肺部模型成像及其内部结构验证的代表性结果。

对光学透明的模型进行绿光内部照射时，当3D打印部件未经蒸汽抛光处理，可观察到其内表面产生明显的漫反射。相反，采用蒸汽抛光处理内壁结构制作的模型，其内表面的漫反射显著减少。当使用不同浓度的光学颗粒制备模型，并通过绿光内部照射结合外部探测成像时，可观察到表面辐射亮度存在差异。

本视频中制作的模型显示出空间上弥散的表面辐射。然而，具有相同内部结构但二氧化钛和印度墨水浓度不同的模型，其表面吸收更强，且辐射分布也不同。由于该模型含有二氧化钛和印度墨水，因而具有光学不透明性，因此展示了通过微型计算机断层扫描对其内部结构进行的验证。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在两天内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何利用3D打印结构制备光学仿体。该仿体制备技术可用于研究光在小鼠肺组织中的传输特性，从而优化细菌检测成像系统。