Dankie dat u nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u die nuutste blaaierweergawe gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Daarbenewens, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal hierdie webwerf nie style of JavaScript insluit nie.
Beweging van organe en weefsels kan lei tot foute in die posisionering van X-strale tydens radioterapie. Daarom is materiale met weefselekwivalente meganiese en radiologiese eienskappe nodig om orgaanbeweging na te boots vir die optimalisering van radioterapie. Die ontwikkeling van sulke materiale bly egter 'n uitdaging. Alginaathidrogele het eienskappe soortgelyk aan dié van die ekstrasellulêre matriks, wat hulle belowend maak as weefselekwivalente materiale. In hierdie studie is alginaathidrogelskuime met gewenste meganiese en radiologiese eienskappe gesintetiseer deur in situ Ca2+-vrystelling. Die lug-tot-volume-verhouding is noukeurig beheer om hidrogelskuime met gedefinieerde meganiese en radiologiese eienskappe te verkry. Die makro- en mikromorfologie van die materiale is gekarakteriseer, en die gedrag van die hidrogelskuime onder kompressie is bestudeer. Die radiologiese eienskappe is teoreties beraam en eksperimenteel geverifieer met behulp van rekenaartomografie. Hierdie studie werp lig op die toekomstige ontwikkeling van weefselekwivalente materiale wat gebruik kan word vir bestralingsdosisoptimalisering en kwaliteitsbeheer tydens radioterapie.
Bestralingsterapie is 'n algemene behandeling vir kanker1. Die beweging van organe en weefsels lei dikwels tot foute in die posisionering van X-strale tydens bestralingsterapie2, wat kan lei tot onderbehandeling van die gewas en oormatige blootstelling van omliggende gesonde selle aan onnodige bestraling. Die vermoë om die beweging van organe en weefsels te voorspel, is van kritieke belang om gewaslokaliseringsfoute te minimaliseer. Hierdie studie het op die longe gefokus, aangesien hulle beduidende vervormings en bewegings ondergaan wanneer pasiënte tydens bestralingsterapie asemhaal. Verskeie eindige elementmodelle is ontwikkel en toegepas om die beweging van menslike longe3,4,5 te simuleer. Menslike organe en weefsels het egter komplekse geometrieë en is hoogs pasiëntafhanklik. Daarom is materiale met weefselekwivalente eienskappe baie nuttig vir die ontwikkeling van fisiese modelle om teoretiese modelle te valideer, verbeterde mediese behandeling te fasiliteer, en vir mediese onderwysdoeleindes.
Die ontwikkeling van sagteweefsel-nabootsende materiale om komplekse eksterne en interne strukturele geometrieë te bereik, het baie aandag getrek omdat hul inherente meganiese teenstrydighede kan lei tot mislukkings in teikentoepassings6,7. Die modellering van die komplekse biomeganika van longweefsel, wat uiterste sagtheid, elastisiteit en strukturele porositeit kombineer, bied 'n beduidende uitdaging in die ontwikkeling van modelle wat die menslike long akkuraat reproduseer. Die integrasie en ooreenstemming van meganiese en radiologiese eienskappe is van kritieke belang vir die effektiewe prestasie van longmodelle in terapeutiese intervensies. Additiewe vervaardiging het bewys effektief te wees in die ontwikkeling van pasiëntspesifieke modelle, wat vinnige prototipering van komplekse ontwerpe moontlik maak. Shin et al. 8 het 'n reproduceerbare, vervormbare longmodel met 3D-gedrukte lugweë ontwikkel. Haselaar et al. 9 het 'n fantoom ontwikkel wat baie soortgelyk is aan werklike pasiënte vir beeldkwaliteitsbepaling en posisieverifikasiemetodes vir radioterapie. Hong et al10 het 'n borskas-CT-model ontwikkel met behulp van 3D-drukwerk en silikoongiettegnologie om die CT-intensiteit van verskeie longletsels te reproduseer om die akkuraatheid van kwantifisering te evalueer. Hierdie prototipes word egter dikwels van materiale gemaak waarvan die effektiewe eienskappe baie verskil van dié van longweefsel11.
Tans word die meeste longfantome van silikoon- of poliuretaanskuim gemaak, wat nie ooreenstem met die meganiese en radiologiese eienskappe van werklike longparenchiem nie.12,13 Alginaathidrogels is bioversoenbaar en word wyd gebruik in weefselingenieurswese as gevolg van hul verstelbare meganiese eienskappe.14 Die reproduseer van die ultra-sagte, skuimagtige konsekwentheid wat benodig word vir 'n longfantome wat die elastisiteit en vulstruktuur van longweefsel akkuraat naboots, bly egter 'n eksperimentele uitdaging.
In hierdie studie is aangeneem dat longweefsel 'n homogene elastiese materiaal is. Die digtheid van menslike longweefsel (\(\:\rho\:\)) word gerapporteer as 1.06 g/cm3, en die digtheid van die opgeblase long is 0.26 g/cm315. 'n Wye reeks Young se modulus (MY) waardes van longweefsel is verkry deur gebruik te maak van verskillende eksperimentele metodes. Lai-Fook et al. 16 het die YM van menslike long met uniforme inflasie gemeet as 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 het magnetiese resonansie-elastografie gebruik en 'n YM van 2.17 kPa gerapporteer. Liu et al. 18 het 'n direk gemete YM van 0.03–57.2 kPa gerapporteer. Ilegbusi et al. 19 het die YM geskat op 0.1–2.7 kPa gebaseer op 4D CT-data verkry van geselekteerde pasiënte.
Vir die radiologiese eienskappe van die long word verskeie parameters gebruik om die interaksiegedrag van longweefsel met X-strale te beskryf, insluitend die elementêre samestelling, elektrondigtheid (\(\:{\rho\:}_{e}\)), effektiewe atoomgetal (\(\:{Z}_{eff}\)), gemiddelde opwekkingsenergie (\(\:I\)), massa-attenuasiekoëffisiënt (\(\:\:\:/\rho\:\)) en die Hounsfield-eenheid (HU), wat direk verband hou met \(\:\:\:/\rho\:\).
Elektrondigtheid \(\:{\rho\:}_{e}\) word gedefinieer as die aantal elektrone per volume-eenheid en word soos volg bereken:
waar \(\:\rho\:\) die digtheid van die materiaal in g/cm3 is, \(\:{N}_{A}\) die Avogadro-konstante is, \(\:{w}_{i}\) die massafraksie is, \(\:{Z}_{i}\) die atoomgetal is, en \(\:{A}_{i}\) die atoomgewig van die i-de element is.
Die atoomgetal hou direk verband met die aard van die stralingsinteraksie binne die materiaal. Vir verbindings en mengsels wat verskeie elemente bevat (bv. materiale), moet die effektiewe atoomgetal \(\:{Z}_{eff}\) bereken word. Die formule is deur Murthy et al. 20 voorgestel:
Die gemiddelde opwekkingsenergie \(\:I\) beskryf hoe maklik die teikenmateriaal die kinetiese energie van die penetrerende deeltjies absorbeer. Dit beskryf slegs die eienskappe van die teikenmateriaal en het niks te doen met die eienskappe van die deeltjies nie. \(\:I\) kan bereken word deur Bragg se additiwiteitsreël toe te pas:
Die massa-attenuasiekoëffisiënt _(_:\mu\:/_rho\:\) beskryf die penetrasie en energievrystelling van fotone in die teikenmateriaal. Dit kan bereken word met behulp van die volgende formule:
Waar \(\:x\) die dikte van die materiaal is, \(\:{I}_{0}\) die intensiteit van die invallende lig is, en \(\:I\) die fotonintensiteit na penetrasie in die materiaal is. \(\:\mu\:/\rho\:\) data kan direk verkry word vanaf die NIST 12621 Standaarde Verwysingsdatabasis. \(\:\:\:\:/\rho\:\) waardes vir mengsels en verbindings kan afgelei word deur die additiwiteitsreël soos volg te gebruik:
HU is 'n gestandaardiseerde dimensielose meeteenheid van radiodigtheid in die interpretasie van gerekenariseerde tomografie (CT) data, wat lineêr getransformeer word vanaf die gemete verswakkingskoëffisiënt _(\:\mu\:\). Dit word gedefinieer as:
waar \(\:{\mu\:}_{water}\) die attenuasiekoëffisiënt van water is, en \(\:{\mu\:}_{air}\) die attenuasiekoëffisiënt van lug is. Daarom sien ons uit formule (6) dat die HU-waarde van water 0 is, en die HU-waarde van lug -1000 is. Die HU-waarde vir menslike longe wissel van -600 tot -70022.
Verskeie weefselekwivalente materiale is ontwikkel. Griffith et al. 23 het 'n weefselekwivalente model van die menslike torso ontwikkel, gemaak van poliuretaan (PU), waaraan verskillende konsentrasies kalsiumkarbonaat (CaCO3) bygevoeg is om die lineêre verswakkingskoëffisiënte van verskeie menslike organe, insluitend die menslike long, te simuleer, en die model is Griffith genoem. Taylor24 het 'n tweede longweefselekwivalente model aangebied wat deur Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ontwikkel is, genaamd LLLL1. Traub et al.25 het 'n nuwe longweefselvervanger ontwikkel met behulp van Foamex XRS-272 wat 5.25% CaCO3 as 'n prestasieverbeteraar bevat, wat ALT2 genoem is. Tabelle 1 en 2 toon 'n vergelyking van \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) en die massa-verswakkingskoëffisiënte vir die menslike long (ICRU-44) en die bogenoemde weefselekwivalente modelle.
Ten spyte van die uitstekende radiologiese eienskappe wat behaal is, word byna alle fantoommateriale van polistireenskuim gemaak, wat beteken dat die meganiese eienskappe van hierdie materiale nie dié van menslike longe kan benader nie. Die Young se modulus (YM) van poliuretaanskuim is ongeveer 500 kPa, wat ver van ideaal is in vergelyking met normale menslike longe (ongeveer 5-10 kPa). Daarom is dit nodig om 'n nuwe materiaal te ontwikkel wat aan die meganiese en radiologiese eienskappe van regte menslike longe kan voldoen.
Hidrogels word wyd gebruik in weefselingenieurswese. Die struktuur en eienskappe daarvan is soortgelyk aan die ekstrasellulêre matriks (ECM) en is maklik aanpasbaar. In hierdie studie is suiwer natriumalginaat gekies as die biomateriaal vir die voorbereiding van skuim. Alginaathidrogels is bioversoenbaar en word wyd gebruik in weefselingenieurswese as gevolg van hul aanpasbare meganiese eienskappe. Die elementêre samestelling van natriumalginaat (C6H7NaO6)n en die teenwoordigheid van Ca2+ laat toe dat die radiologiese eienskappe daarvan aangepas kan word soos nodig. Hierdie kombinasie van aanpasbare meganiese en radiologiese eienskappe maak alginaathidrogels ideaal vir ons studie. Natuurlik het alginaathidrogels ook beperkings, veral in terme van langtermynstabiliteit tydens gesimuleerde respiratoriese siklusse. Daarom is verdere verbeterings nodig en word dit in toekomstige studies verwag om hierdie beperkings aan te spreek.
In hierdie werk het ons 'n alginaat-hidrogelskuimmateriaal ontwikkel met beheerbare rho-waardes, elastisiteit en radiologiese eienskappe soortgelyk aan dié van menslike longweefsel. Hierdie studie sal 'n algemene oplossing bied vir die vervaardiging van weefselagtige fantome met verstelbare elastiese en radiologiese eienskappe. Die materiaaleienskappe kan maklik aangepas word vir enige menslike weefsel en orgaan.
Die teiken lug-tot-volume-verhouding van die hidrogelskuim is bereken op grond van die HU-reeks van menslike longe (-600 tot -700). Daar is aangeneem dat die skuim 'n eenvoudige mengsel van lug en sintetiese alginaathidrogel was. Deur 'n eenvoudige optelreël van individuele elemente _(_:\mu\:/_rho\:\) te gebruik, kon die volumefraksie van lug en die volumeverhouding van die gesintetiseerde alginaathidrogel bereken word.
Alginaathidrogelskuim is voorberei met behulp van natriumalginaat (Onderdeelnr. W201502), CaCO3 (Onderdeelnr. 795445, MW: 100.09), en GDL (Onderdeelnr. G4750, MW: 178.14) gekoop van Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Natriumlauriel-etersulfaat (SLES 70) is gekoop van Renowned Trading LLC. Gedeïoniseerde water is in die skuimvoorbereidingsproses gebruik. Natriumalginaat is by kamertemperatuur in gedeïoniseerde water opgelos met konstante roering (600 rpm) totdat 'n homogene geel deurskynende oplossing verkry is. CaCO3 in kombinasie met GDL is as 'n Ca2+-bron gebruik om jelvorming te begin. SLES 70 is as 'n oppervlakaktiewe middel gebruik om 'n poreuse struktuur binne die hidrogel te vorm. Die alginaatkonsentrasie is op 5% gehandhaaf en die Ca2+:-COOH molverhouding is op 0.18 gehandhaaf. Die CaCO3:GDL molverhouding is ook op 0.5 gehandhaaf tydens skuimvoorbereiding om 'n neutrale pH te handhaaf. Die waarde is 26. 2% per volume van SLES 70 is by alle monsters gevoeg. 'n Beker met 'n deksel is gebruik om die mengverhouding van die oplossing en lug te beheer. Die totale volume van die beker was 140 ml. Gebaseer op die teoretiese berekeningsresultate, is verskillende volumes van die mengsel (50 ml, 100 ml, 110 ml) by die beker gevoeg om met lug te meng. Die monster wat 50 ml van die mengsel bevat, is ontwerp om met voldoende lug te meng, terwyl die lugvolumeverhouding in die ander twee monsters beheer is. Eers is SLES 70 by die alginaatoplossing gevoeg en met 'n elektriese roerder geroer totdat dit volledig gemeng was. Daarna is die CaCO3-suspensie by die mengsel gevoeg en aanhoudend geroer totdat die mengsel volledig gemeng was, waarna die kleur daarvan na wit verander het. Laastens is die GDL-oplossing by die mengsel gevoeg om jelvorming te begin, en meganiese roering is deur die hele proses gehandhaaf. Vir die monster wat 50 ml van die mengsel bevat, is meganiese roering gestaak toe die volume van die mengsel opgehou verander het. Vir die monsters wat 100 ml en 110 ml van die mengsel bevat, is meganiese roering gestaak toe die mengsel die beker gevul het. Ons het ook probeer om hidrogelskuime met 'n volume tussen 50 ml en 100 ml voor te berei. Strukturele onstabiliteit van die skuim is egter waargeneem, aangesien dit gewissel het tussen die toestand van volledige lugvermenging en die toestand van lugvolumebeheer, wat gelei het tot inkonsekwente volumebeheer. Hierdie onstabiliteit het onsekerheid in die berekeninge ingebring, en daarom is hierdie volumebereik nie in hierdie studie ingesluit nie.
Die digtheid \(\:\rho\:\) van 'n hidrogelskuim word bereken deur die massa \(\:m\) en volume \(\:V\) van 'n hidrogelskuimmonster te meet.
Optiese mikroskopiese beelde van hidrogelskuim is verkry met behulp van 'n Zeiss Axio Observer A1-kamera. ImageJ-sagteware is gebruik om die aantal en grootteverspreiding van porieë in 'n monster in 'n sekere area te bereken gebaseer op die verkrygde beelde. Die porievorm word as sirkelvormig aanvaar.
Om die meganiese eienskappe van die alginaathidrogelskuim te bestudeer, is uniaxiale kompressietoetse uitgevoer met behulp van 'n TESTRESOURCES 100-reeks masjien. Die monsters is in reghoekige blokke gesny en die blokafmetings is gemeet om die spannings en vervormings te bereken. Die kruiskopspoed is op 10 mm/min gestel. Drie monsters is vir elke monster getoets en die gemiddelde en standaardafwyking is uit die resultate bereken. Hierdie studie het gefokus op die kompressiewe meganiese eienskappe van die alginaathidrogelskuim, aangesien die longweefsel op 'n sekere stadium van die respiratoriese siklus aan kompressiewe kragte onderwerp word. Die rekbaarheid is natuurlik van kritieke belang, veral om die volle dinamiese gedrag van die longweefsel te weerspieël en dit sal in toekomstige studies ondersoek word.
Die voorbereide hidrogelskuimmonsters is geskandeer op 'n Siemens SOMATOM Drive-dubbelkanaal-CT-skandeerder. Die skanderingsparameters is soos volg ingestel: 40 mAs, 120 kVp en 1 mm snydikte. Die gevolglike DICOM-lêers is geanaliseer met behulp van MicroDicom DICOM Viewer-sagteware om die HU-waardes van 5 dwarssnitte van elke monster te analiseer. Die HU-waardes wat deur CT verkry is, is vergelyk met teoretiese berekeninge gebaseer op die digtheidsdata van die monsters.
Die doel van hierdie studie is om die vervaardiging van individuele orgaanmodelle en kunsmatige biologiese weefsels te revolusioneer deur sagte materiale te ontwerp. Die ontwikkeling van materiale met meganiese en radiologiese eienskappe wat ooreenstem met die werkmeganika van menslike longe, is belangrik vir geteikende toepassings soos die verbetering van mediese opleiding, chirurgiese beplanning en bestralingsterapiebeplanning. In Figuur 1A het ons die verskil tussen die meganiese en radiologiese eienskappe van sagte materiale wat vermoedelik gebruik word om menslike longmodelle te vervaardig, uiteengesit. Tot op hede is materiale ontwikkel wat die verlangde radiologiese eienskappe vertoon, maar hul meganiese eienskappe voldoen nie aan die verlangde vereistes nie. Poliuretaanskuim en rubber is die mees gebruikte materiale vir die vervaardiging van vervormbare menslike longmodelle. Die meganiese eienskappe van poliuretaanskuim (Young se modulus, YM) is tipies 10 tot 100 keer groter as dié van normale menslike longweefsel. Materiale wat beide die verlangde meganiese en radiologiese eienskappe vertoon, is nog nie bekend nie.
(A) Skematiese voorstelling van die eienskappe van verskeie sagte materiale en vergelyking met menslike longe in terme van digtheid, Young se modulus en radiologiese eienskappe (in HU). (B) X-straaldiffraksiepatroon van \(\:\mu\:/\rho\:\) alginaathidrogel met 'n konsentrasie van 5% en 'n Ca2+:-COOH molverhouding van 0.18. (C) Reeks lugvolumeverhoudings in hidrogelskuime. (D) Skematiese voorstelling van alginaathidrogelskuime met verskillende lugvolumeverhoudings.
Die elementêre samestelling van alginaathidrogel met 'n konsentrasie van 5% en 'n Ca2+:-COOH molverhouding van 0.18 is bereken, en die resultate word in Tabel 3 getoon. Volgens die optelreël in die vorige formule (5) word die massa-attenuasiekoëffisiënt van alginaathidrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) verkry soos getoon in Figuur 1B.
Die \(\:\mu\:/\rho\:\) waardes vir lug en water is direk verkry vanaf die NIST 12612 standaarde verwysingsdatabasis. Dus toon Figuur 1C die berekende lugvolume verhoudings in hidrogelskuim met HU ekwivalente waardes tussen -600 en -700 vir die menslike long. Die teoreties berekende lugvolume verhouding is stabiel binne 60–70% in die energiebereik van 1 × 10−3 tot 2 × 101 MeV, wat dui op goeie potensiaal vir die toepassing van hidrogelskuim in stroomaf vervaardigingsprosesse.
Figuur 1D toon die voorbereide alginaathidrogelskuimmonster. Alle monsters is in blokkies gesny met 'n randlengte van 12.7 mm. Die resultate het getoon dat 'n homogene, driedimensioneel stabiele hidrogelskuim gevorm is. Ongeag die lugvolumeverhouding, is geen beduidende verskille in die voorkoms van die hidrogelskuime waargeneem nie. Die selfonderhoudende aard van die hidrogelskuim dui daarop dat die netwerk wat binne die hidrogel gevorm word, sterk genoeg is om die gewig van die skuim self te ondersteun. Afgesien van 'n klein hoeveelheid waterlekkasie uit die skuim, het die skuim ook oorgangstabiliteit vir etlike weke getoon.
Deur die massa en volume van die skuimmonster te meet, is die digtheid van die voorbereide hidrogelskuim \(\:\rho\:\) bereken, en die resultate word in Tabel 4 getoon. Die resultate toon die afhanklikheid van \(\:\rho\:\) van die volumeverhouding van lug. Wanneer genoeg lug met 50 ml van die monster gemeng word, word die digtheid die laagste en is dit 0.482 g/cm3. Soos die hoeveelheid gemengde lug afneem, neem die digtheid toe tot 0.685 g/cm3. Die maksimum p-waarde tussen die groepe van 50 ml, 100 ml en 110 ml was 0.004 < 0.05, wat die statistiese betekenisvolheid van die resultate aandui.
Die teoretiese \(\:\rho\:\) waarde word ook bereken met behulp van die beheerde lugvolumeverhouding. Die gemete resultate toon dat \(\:\rho\:\) 0.1 g/cm³ kleiner is as die teoretiese waarde. Hierdie verskil kan verklaar word deur die interne spanning wat in die hidrogel gegenereer word tydens die geleringsproses, wat swelling veroorsaak en dus lei tot 'n afname in \(\:\rho\:\). Dit is verder bevestig deur die waarneming van sommige gapings binne die hidrogelskuim in die CT-beelde wat in Figuur 2 (A, B en C) getoon word.
Optiese mikroskopiebeelde van hidrogelskuim met verskillende lugvolume-inhoud (A) 50, (B) 100, en (C) 110. Selgetalle en poriegrootteverspreiding in alginaathidrogelskuimmonsters (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figuur 3 (A, B, C) toon die optiese mikroskoopbeelde van die hidrogelskuimmonsters met verskillende lugvolumeverhoudings. Die resultate demonstreer die optiese struktuur van die hidrogelskuim en toon duidelik die beelde van porieë met verskillende diameters. Die verspreiding van porienommer en -deursnee is met behulp van ImageJ bereken. Ses beelde is vir elke monster geneem, elke beeld het 'n grootte van 1125.27 μm × 843.96 μm gehad, en die totale geanaliseerde area vir elke monster was 5.7 mm².
(A) Drukspanning-vervormingsgedrag van alginaathidrogelskuim met verskillende lugvolumeverhoudings. (B) Eksponensiële passing. (C) Kompressie E0 van hidrogelskuim met verskillende lugvolumeverhoudings. (D) Uiteindelike drukspanning en vervorming van alginaathidrogelskuim met verskillende lugvolumeverhoudings.
Figuur 3 (D, E, F) toon dat die poriegrootteverspreiding relatief uniform is, wat wissel van tientalle mikrometers tot ongeveer 500 mikrometers. Die poriegrootte is basies uniform en neem effens af soos die lugvolume afneem. Volgens die toetsdata is die gemiddelde poriegrootte van die 50 ml-monster 192.16 μm, die mediaan is 184.51 μm en die aantal porieë per eenheidsoppervlakte is 103; die gemiddelde poriegrootte van die 100 ml-monster is 156.62 μm, die mediaan is 151.07 μm en die aantal porieë per eenheidsoppervlakte is 109; die ooreenstemmende waardes van die 110 ml-monster is onderskeidelik 163.07 μm, 150.29 μm en 115. Die data toon dat die groter porieë 'n groter invloed op die statistiese resultate van die gemiddelde poriegrootte het, en die mediaan poriegrootte kan die veranderingstendens van die poriegrootte beter weerspieël. Soos die monstervolume van 50 ml tot 110 ml toeneem, neem die aantal porieë ook toe. Deur die statistiese resultate van mediaan poriedeursnee en porienommer te kombineer, kan die gevolgtrekking gemaak word dat met toenemende volume, meer porieë van kleiner grootte binne die monster gevorm word.
Die meganiese toetsdata word in Figure 4A en 4D getoon. Figuur 4A toon die drukspanning-vervormingsgedrag van die voorbereide hidrogelskuim met verskillende lugvolumeverhoudings. Die resultate toon dat alle monsters soortgelyke nie-lineêre spanning-vervormingsgedrag het. Vir elke monster neem die spanning vinniger toe met toenemende vervorming. 'n Eksponensiële kurwe is aangepas by die drukspanning-vervormingsgedrag van die hidrogelskuim. Figuur 4B toon die resultate na die toepassing van die eksponensiële funksie as 'n benaderende model op die hidrogelskuim.
Vir die hidrogelskuime met verskillende lugvolumeverhoudings is hul drukmodulus (E0) ook bestudeer. Soortgelyk aan die analise van die hidrogels, is die drukmodulus van Young se modulus ondersoek in die reeks van 20% aanvanklike vervorming. Die resultate van die druktoetse word in Figuur 4C getoon. Die resultate in Figuur 4C toon dat soos die lugvolumeverhouding afneem van monster 50 tot monster 110, die drukmodulus van Young se modulus E0 van die alginaathidrogelskuim toeneem van 10.86 kPa tot 18 kPa.
Net so is die volledige spanning-vervormingskurwes van die hidrogelskuim, sowel as die uiteindelike drukspanning- en vervormingswaardes, verkry. Figuur 4D toon die uiteindelike drukspanning en vervorming van die alginaathidrogelskuim. Elke datapunt is die gemiddelde van drie toetsresultate. Die resultate toon dat die uiteindelike drukspanning toeneem van 9.84 kPa tot 17.58 kPa met afnemende gasinhoud. Die uiteindelike vervorming bly stabiel teen ongeveer 38%.
Figuur 2 (A, B en C) toon die CT-beelde van hidrogelskuim met verskillende lugvolumeverhoudings wat ooreenstem met monsters 50, 100 en 110, onderskeidelik. Die beelde toon dat die gevormde hidrogelskuim byna homogeen is. 'n Klein aantal gapings is waargeneem in monsters 100 en 110. Die vorming van hierdie gapings kan te wyte wees aan die interne spanning wat in die hidrogel gegenereer word tydens die geleringsproses. Ons het die HU-waardes vir 5 dwarssnitte van elke monster bereken en dit in Tabel 5 gelys, saam met die ooreenstemmende teoretiese berekeningsresultate.
Tabel 5 toon dat die monsters met verskillende lugvolumeverhoudings verskillende HU-waardes verkry het. Die maksimum p-waarde tussen die 50 ml-, 100 ml- en 110 ml-groepe was 0.004 < 0.05, wat die statistiese beduidendheid van die resultate aandui. Onder die drie monsters wat getoets is, het die monster met die 50 ml-mengsel die radiologiese eienskappe gehad wat die naaste aan dié van menslike longe was. Die laaste kolom van Tabel 5 is die resultaat wat verkry is deur teoretiese berekening gebaseer op die gemete skuimwaarde _(_:\rho\:\). Deur die gemete data met die teoretiese resultate te vergelyk, kan gevind word dat die HU-waardes wat deur CT-skandering verkry is, oor die algemeen naby die teoretiese resultate is, wat weer die lugvolumeverhoudingberekeningsresultate in Figuur 1C bevestig.
Die hoofdoelwit van hierdie studie is om 'n materiaal te skep met meganiese en radiologiese eienskappe vergelykbaar met dié van menslike longe. Hierdie doelwit is bereik deur 'n hidrogel-gebaseerde materiaal te ontwikkel met pasgemaakte weefsel-ekwivalente meganiese en radiologiese eienskappe wat so na as moontlik aan dié van menslike longe is. Gelei deur teoretiese berekeninge, is hidrogelskuime met verskillende lugvolumeverhoudings voorberei deur natriumalginaatoplossing, CaCO3, GDL en SLES 70 meganies te meng. Morfologiese analise het getoon dat 'n homogene driedimensionele stabiele hidrogelskuim gevorm is. Deur die lugvolumeverhouding te verander, kan die digtheid en porositeit van die skuim na willekeur gevarieer word. Met die toename van die lugvolume-inhoud neem die poriegrootte effens af en die aantal porieë neem toe. Kompressietoetse is uitgevoer om die meganiese eienskappe van die alginaathidrogelskuime te analiseer. Die resultate het getoon dat die kompressiemodulus (E0) wat uit die kompressietoetse verkry is, in die ideale reeks vir menslike longe is. E0 neem toe namate die lugvolumeverhouding afneem. Die waardes van die radiologiese eienskappe (HU) van die voorbereide monsters is verkry op grond van die CT-data van die monsters en vergelyk met die resultate van teoretiese berekeninge. Die resultate was gunstig. Die gemete waarde is ook naby die HU-waarde van menslike longe. Die resultate toon dat dit moontlik is om weefsel-nabootsende hidrogelskuime te skep met 'n ideale kombinasie van meganiese en radiologiese eienskappe wat die eienskappe van menslike longe naboots.
Ten spyte van die belowende resultate, moet die huidige vervaardigingsmetodes verbeter word om die lugvolumeverhouding en porositeit beter te beheer om te pas by voorspellings van teoretiese berekeninge en werklike menslike longe op beide globale en plaaslike skale. Die huidige studie is ook beperk tot die toets van die kompressiemeganika, wat die potensiële toepassing van die fantoom tot die kompressiefase van die respiratoriese siklus beperk. Toekomstige navorsing sal baat vind by die ondersoek van trektoetsing sowel as die algehele meganiese stabiliteit van die materiaal om potensiële toepassings onder dinamiese laaitoestande te bepaal. Ten spyte van hierdie beperkings, is die studie die eerste suksesvolle poging om radiologiese en meganiese eienskappe in 'n enkele materiaal te kombineer wat die menslike long naboots.
Die datastelle wat tydens die huidige studie gegenereer en/of geanaliseer is, is op redelike versoek van die ooreenstemmende outeur beskikbaar. Beide eksperimente en datastelle is reproduceerbaar.
Song, G., et al. Nuwe nanotegnologieë en gevorderde materiale vir kankerbestralingsterapie. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Verslag van die AAPM 76a Taakmag oor Respiratoriese Bewegingsbestuur in Stralingsonkologie. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., en Brock, KK Modellering van die koppelvlak en materiaal-nielineariteite in die menslike long. Fisika en Geneeskunde en Biologie 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumor-agtige longkankermodel gegenereer deur 3D-biodrukwerk. 3. Biotegnologie. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellering van longvervorming: 'n metode wat vervormbare beeldregistrasietegnieke en ruimtelik variërende Young se modulusberaming kombineer. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Styfheid van lewende weefsel en die implikasies daarvan vir weefselingenieurswese. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).