生物組織
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-10-20
生物組織的實(shí)例教程
柔性生物電子學(xué)在電子皮膚、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠的機(jī)械性能與生物組織相似、生物相容性優(yōu)異、理化性能可靈活調(diào)控，在生物電子學(xué)領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。柔性器件與組織界面作用對(duì)柔性電子器件的性能有重要影響，組織粘附型電子器件可以與生物組織形成密切、穩(wěn)定的界面作用，形成高度順應(yīng)和仿形的界面，對(duì)可植入可穿戴生物電子學(xué)具有非常重要的意義。
中山大學(xué)付俊教授團(tuán)隊(duì)在高性能水凝膠高靈敏、線性傳感器(Chem Mater 2018，30, 8062-8069；J Mater Chem B 2020, 8, 3437-3459；Polymer 2020, 192, 122319；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 51969-51977；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 52307-52318；J Mater Chem B 2021, 9, 2561-2583)，組織粘附型傳感(ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 3506-3515；J Mater Chem B 2019, 7, 24-29；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 46816-46826)等方面取得了系列創(chuàng)新研究成果，為研制植入式傳感器，實(shí)現(xiàn)組織器官運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了新思路（Mater Horiz 2020, 7, 1872-1882）。
展開 由于MRI或CT用不同的灰度(grayscale or Hounsfield Units)記載了不同的生物組織,原則上可以重建三維的生物結(jié)構(gòu).
相關(guān)圖像瀏覽與編輯軟件:Radpix, CT/MR viewer.
2. 數(shù)據(jù)圖像分割(segmentation)
將解剖圖像數(shù)據(jù)(MRI或CT)轉(zhuǎn)化為3D模型的過程叫做數(shù)據(jù)圖像分割(segmentation).這一步非常關(guān)鍵.
分割的方法分為自動(dòng)或手動(dòng).手動(dòng)主要針對(duì)分界線模糊的軟組織如肌肉.自動(dòng)分割的方法有: Threshold, Region Growing and Dynamic Region Growing).
通過分割得到3D模型格式一般為STL (Triangulated surface mesh file:三角形表面網(wǎng)格文件)(也可以保存成其他格式如IGES).STL文件可以很方便導(dǎo)入到其他CAD或有限元軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析.
與分割相關(guān)的軟件有:Mimics, Analyze, MATLAB, Interachive Data Language, 3D Slicer.
本人推薦使用Mimics或3D Slicer(免費(fèi)).
(下面介紹得到3D幾何模型后的應(yīng)用分析)
3. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)
將IGES或STL文件導(dǎo)入CAD文件可以進(jìn)行設(shè)計(jì)分析. Mimics中也有專門的CAD模塊.
相關(guān)軟件有:AutoCAD,IDES,ProE,Solidworks,UG NX等.
4. 快速成型或制造(Rapid Prototyping-RP, Rapid Manufacturing)
STL文件是快速成型機(jī)器和3D打印機(jī)的通用格式文件.通過將STL文件導(dǎo)入快速成型機(jī)器或3D打印機(jī),可以很快得到生物結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型.如頭顱,盆骨等.
Mimics中有專門的RP模塊.
展開 2018年8月28日，南極熊從外媒獲悉，布里格姆婦女醫(yī)院的研究人員開發(fā)了一種3D生物打印管狀結(jié)構(gòu)的方法，可以更好地模擬人體內(nèi)的天然血管和導(dǎo)管。 3D生物打印技術(shù)允許微調(diào)打印組織的特性，例如層數(shù)和運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)素的能力。 這些更復(fù)雜的組織為受損組織提供了潛在可行的替代品。
“體內(nèi)的血管不均勻，”該研究的資深作者，BWH醫(yī)學(xué)系的生物工程師Yu Shrike Zhang博士說。 “這種生物打印方法可以生成復(fù)雜的管狀結(jié)構(gòu)，模仿人體系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)，比以前的技術(shù)具有更高的保真度。”
為了制作生物3D打印機(jī)的“墨水”，研究人員將人體細(xì)胞與水凝膠混合，水凝膠是一種由親水聚合物組成的柔性結(jié)構(gòu)。然后，他們優(yōu)化了水凝膠的化學(xué)性質(zhì)，使人體細(xì)胞在整個(gè)混合物中增殖。
接下來，他們用這種生物墨水填充3D生物打印機(jī)的墨盒。他們還開發(fā)了一種定制噴嘴，可以連續(xù)打印最多三層的管狀結(jié)構(gòu)。研究人員解釋說：“這些可灌注的管狀結(jié)構(gòu)可以在生物打印管的長(zhǎng)度上以規(guī)則的間隔從單層連續(xù)調(diào)整到三層。”
許多疾病損害管狀組織：動(dòng)脈炎，動(dòng)脈粥樣硬化和血栓形成損傷血管，而尿路上皮組織可能遭受炎性病變和有害的先天性異常。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以打印出模仿血管組織和尿路上皮組織的組織。他們將人尿路上皮和膀胱平滑肌細(xì)胞與水凝膠混合，形成尿路上皮組織。為了打印血管組織，他們使用人內(nèi)皮細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞和水凝膠的混合物。
打印管具有不同的尺寸，厚度和性質(zhì)。 Zhang表示，生物打印組織的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對(duì)其作為天然組織替代品的可行性至關(guān)重要。那是因?yàn)樘烊?em>組織很復(fù)雜。例如，血管由多層組成，而多層又由各種細(xì)胞類型組成。
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行臨床前研究，以在測(cè)試安全性和有效性之前優(yōu)化生物墨水成分和3D打印參數(shù)。
“我們目前正在進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)和生物材料，”Zhang說。
展開 <p>具有特定生物和機(jī)械性能的3D功能性組織結(jié)構(gòu)在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域相當(dāng)重要。但是，高度組織化、功能性的3D組織的發(fā)展仍面臨一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)。在 體外重現(xiàn)包括多種細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的3D多級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)相當(dāng)不容易的任務(wù)。在這樣的背景下，生物打印作為一種有潛力制備仿生3D組織結(jié)構(gòu)的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。生物打印可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的精確定位。數(shù)字化可調(diào)微流控3D生物打印是當(dāng)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
由哥本哈根大學(xué)生物系教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的生物3D打印方法，用于監(jiān)測(cè)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。
教授與德國(guó)的同事一起，將氧敏感納米粒子用于凝膠材料，可用于復(fù)雜，生物膜和組織樣結(jié)構(gòu)的3D打印。活細(xì)胞以及內(nèi)置化學(xué)傳感器。
3D打印是一種廣泛的技術(shù)，用于生產(chǎn)塑料，金屬和其他非生物材料中的物體。同樣，活細(xì)胞可以用生物相容性凝膠材料（bioinks）進(jìn)行3D打印，這種3D生物打印是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，例如在生物醫(yī)學(xué)研究中，干細(xì)胞以3D打印結(jié)構(gòu)培養(yǎng)，模仿組織和骨骼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種嘗試缺乏對(duì)生物打印結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)的細(xì)胞代謝活動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)，目前，這種測(cè)量很大程度上依賴于破壞性采樣。目前開發(fā)的解決方案正在申請(qǐng)專利。
在水凝膠中含有綠藻（衣藻）的生物3D打印結(jié)構(gòu)。圖片：Anja Lode，德累斯頓工業(yè)大學(xué)
該小組通過將發(fā)光氧敏感納米顆粒實(shí)施到印刷基質(zhì)中來開發(fā)功能化生物鏈。當(dāng)藍(lán)光激發(fā)納米粒子時(shí)，它們發(fā)出與局部氧氣濃度成比例的紅色發(fā)光 - 氧氣越多，紅色發(fā)光越少。可以用相機(jī)系統(tǒng)對(duì)生物打印的生物結(jié)構(gòu)上的紅色發(fā)光和因此氧的分布進(jìn)行成像。這允許氧氣分布和動(dòng)力學(xué)的在線，非侵入性監(jiān)測(cè)，其可以映射到3D生物打印構(gòu)造中的細(xì)胞的生長(zhǎng)和分布，而無需破壞性取樣。
重要的是納米粒子的添加不會(huì)改變生物聚合物的機(jī)械性能，例如在印刷過程中避免細(xì)胞應(yīng)力和死亡。
最近發(fā)表的研究證明了如何校準(zhǔn)和使用用傳感器納米顆粒功能化的bioinks，例如，用于監(jiān)測(cè)具有一種或幾種細(xì)胞類型的生物打印結(jié)構(gòu)中的藻類光合作用和呼吸作用以及干細(xì)胞呼吸。
這是3D生物打印的一個(gè)突破。
展開 
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生物組織的最新內(nèi)容
</strong></p><p>關(guān)注 <strong>“表面信息”：選 SEM</strong></p><p>需觀察樣品表面形貌（如斷裂紋路、顆粒分布、涂層表面缺陷、生物組織表面結(jié)構(gòu)等）。
選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
光源規(guī)格
OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長(zhǎng)決定了光在樣品材料中的穿透深度。
本研究不僅有助于推動(dòng)深度學(xué)習(xí)在無創(chuàng)層析成像領(lǐng)域的理論創(chuàng)新，也為工業(yè)過程控制、生物組織識(shí)別及智能診療系統(tǒng)提供高精度、高效率的成像解決方案。
1.40
5
皮下脂肪
1.44
5
血液
1.35
n/a
人體組織中的體散射
Henyey-Greenstein 分布函數(shù)可以準(zhǔn)確描述混濁介質(zhì)（例如生物組織
這對(duì)于模擬白云中的散射現(xiàn)象1時(shí)很有幫助，同時(shí)也有助于解釋光線入射特定物質(zhì)，如牛奶和生物組織時(shí)所產(chǎn)生的變化。在 OpticStudio 的非序列模式中，我們可以用體散射（bulk scattering）的追跡方式建立這類的模型。此外，Bohren 和 Huffman 的研究為此現(xiàn)象的模擬提供了計(jì)算的依據(jù)。
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是可以獲得生物組織皮下圖像的一項(xiàng)相干技術(shù)，它可以提供小于10μm軸向分辨率和大約3mm穿透深度的圖像。OCT采用了非電離，通常是近紅外的輻射來捕獲組織形態(tài)的實(shí)時(shí)圖像。OCT可以用于研究高風(fēng)險(xiǎn)的組織位置。因此，當(dāng)用于組合時(shí)，以一種同時(shí)和協(xié)作的形式，AF-OCT成像可以提供豐富的生化信息，并定位組織形態(tài)，這些不能通過單獨(dú)的成像模式獲得。
在實(shí)際應(yīng)用中，如巖土工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，迂曲度用于評(píng)估漿液在地下或生物組織中的擴(kuò)散效率，進(jìn)而影響工程設(shè)計(jì)和治療效果。
漿液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)示意圖
二
工程背景
1. 控制地面沉降：在盾構(gòu)施工過程中，由于盾尾與管片之間存在一定的空隙，如果不及時(shí)填充，可能會(huì)導(dǎo)致地面沉降，影響地面建筑物和地下設(shè)施的安全。
2.
這種骨架可以被看作原始結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化表示，常用于描述多孔材料、生物組織如骨小梁結(jié)構(gòu)等復(fù)雜形態(tài)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。
在工程和科學(xué)研究中，Voronoi骨架結(jié)構(gòu)幾何模型經(jīng)常被用來模擬多孔材料，也被廣泛應(yīng)用于各種仿真軟件中，以研究材料力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)、流體滲透等問題。
生物醫(yī)學(xué)，在組織工程中分析細(xì)胞外基質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)，研究復(fù)合材料中的纖維排列和取向。法醫(yī)學(xué)，通過分析纖維來輔助犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。
圖1 天然纖維分類
Harris特征點(diǎn)檢測(cè)
Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法是一種在計(jì)算機(jī)視覺中用于識(shí)別圖像角點(diǎn)的流行技術(shù)。角點(diǎn)是圖像中兩條邊緣或邊界的交點(diǎn)，它們?cè)趫D像分析中扮演著關(guān)鍵角色，因?yàn)樗鼈兺ǔ?biāo)志著物體的角落或邊界的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
盡管光線在OCT中穿透的深度以毫米數(shù)量級(jí)計(jì)量，但OCT具有安全性和高分辨率的特征，使得OCT最典型應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物組織成像。
OCT的光學(xué)系統(tǒng)由邁克爾遜干涉儀構(gòu)成，在參考鏡與樣品之間的反射光相干，這一現(xiàn)象表明了從樣品不同位置深度反射或散射出來的光與參考鏡的位置有關(guān)。
