Skin-equivalent opto-/elastofluidic in-vitro microphysiological vascular models for translational studies of optical biopsies

The skin equivalent opto-/elastofluidic in-vitro microphysiological vascular models are prepared as the functional validation test charts to evaluate the correctness of the bio-optical measurements/imaging. The opto-/elastofluidic models are constructed with the TiO2/molecular dye insertions. The tissue equivalences to the cutaneous tissue of human are characterized. It is proved that these opto-/elastofluidics can withstand high liquid pressure up to 6 bar and high flow rate of 10 mL/min to allow the simulation of the real blood hydraulics. It is also proved that the in-vivo skin optical parameters µa and µ‘s of the human volunteers match the elastofluidic phantoms. The Young’s moduli E of the elastofluidic phantom matrices are manipulated to give the same reaction to the mechanical load as the real soft skin cutis. The speed of sound propagating through the PVCp matrices is tailored at 1350 to 1500 m/s, which approach that in the real tissue of about 1540 m/s. The diffuse optical biopsy is built to measure the optical path length factors of all major chromophores of the artificial hemoglobin dilutions included in the phantoms. For both oxy- and deoxygenated hemoglobin, the concentration dependencies of the optical path length factors are defined as fPf (Ct) ~ Ct-0.5. Preliminary human experiments are done on the suspicious spider nevi and the embedded nodule lesion, and prove the tissue equivalences of the microphysiological elastofluidic skin models. Die hautäquivalenten opto-/elastofluidischen mikrophysiologischen Invitro-Gefäßmodelle werden als funktionelle Validierungstesttafeln zur Bewertung der Korrektheit der biooptischen Messungen/Bildgebung vorbereitet. Die opto-/elastofluidischen Modelle werden mit dem Einsatz von TiO2/molekularen Farbstoffen konstruiert. Die Gewebeäquivalenzen zum Hautgewebe des Menschen werden charakterisiert. Es wird bewiesen, dass diese Opto-/Elastofluidik einem hohen Flüssigkeitsdruck von bis zu 6 bar und einer hohen Durchflussrate von 10 mL/min standhalten kann, um die Simulation der realen Bluthydraulik zu ermöglichen. Die optischen Parameter ma und m0s der Haut von menschlichen Probanden werden in den elastofluidischen Phantomen simuliert. Die Elastizitätsmoduln E der elastofluidischen Phantommatrizen werden so manipuliert, dass sie auf die mechanische Belastung genauso reagieren wie die reale weiche Hautkutis. Die Schallgeschwindigkeit, die sich durch die PVCp-Matrizen ausbreitet, wird auf 1350 bis 1500 m/s eingestellt, was der Geschwindigkeit im realen Gewebe von etwa 1540 m/s nahe kommt. Die diffuse optische Biopsie dient zur Messung der optischen Weglängenfaktoren aller wichtigen Chromophore der in den Phantomen enthaltenen künstlichen Hämoglobinverdünnungen. Sowohl für sauerstoffhaltiges als auch für sauerstoffarmes Hämoglobin sind die Konzentrationsabhängigkeiten der optischen Weglängenfaktoren definiert als fPf (Ct) ~ Ct-0.5. Humanexperimente werden an Spinnennävi und Knötchenläsionen durchgeführt und belegen die Gewebeäquivalenzen der mikrophysiologischen elastofluidischen Hautmodelle.