Täname teid nature.com külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on piiratud CSS-i tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame kasutada brauseri uusimat versiooni (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Lisaks ei sisalda see sait jätkuva toe tagamiseks stiile ega JavaScripti.
Elundite ja kudede liikumine võib kiiritusravi ajal põhjustada röntgenikiirte positsioneerimise vigu. Seetõttu on kiiritusravi optimeerimiseks vaja materjale, millel on koeekvivalendid mehaanilised ja radioloogilised omadused, et jäljendada elundi liikumist. Selliste materjalide väljatöötamine on aga endiselt väljakutse. Alginaat-hüdrogeelidel on sarnased omadused rakuvälise maatriksi omadustega, mis teeb neist paljulubavad koeekvivalendid. Selles uuringus sünteesiti soovitud mehaaniliste ja radioloogiliste omadustega alginaat-hüdrogeelvahud in situ Ca2+ vabanemise teel. Õhu ja mahu suhet kontrolliti hoolikalt, et saada määratletud mehaaniliste ja radioloogiliste omadustega hüdrogeelvahud. Iseloomustati materjalide makro- ja mikromorfoloogiat ning uuriti hüdrogeelvahtude käitumist kokkusurumise ajal. Radioloogilisi omadusi hinnati teoreetiliselt ja kontrolliti eksperimentaalselt kompuutertomograafia abil. See uuring heidab valgust koeekvivalentide materjalide edasisele arengule, mida saab kasutada kiirgusdoosi optimeerimiseks ja kvaliteedikontrolliks kiiritusravi ajal.
Kiiritusravi on vähi levinud ravi1. Elundite ja kudede liikumine põhjustab kiiritusravi ajal sageli röntgenikiirte positsioneerimise vigu2, mis võib põhjustada kasvaja alaravi ja ümbritsevate tervete rakkude ülekiirgust tarbetu kiirgusega. Elundite ja kudede liikumise ennustamise võime on kriitilise tähtsusega kasvaja lokaliseerimisvigade minimeerimiseks. See uuring keskendus kopsudele, kuna need deformeeruvad ja liiguvad märkimisväärselt, kui patsiendid kiiritusravi ajal hingavad. Inimese kopsude liikumise simuleerimiseks on välja töötatud ja rakendatud mitmesuguseid lõplike elementide mudeleid3,4,5. Inimese organitel ja kudedel on aga keeruline geomeetria ning nad on patsiendist väga sõltuvad. Seetõttu on koeekvivalentsetest omadustest koosnevad materjalid väga kasulikud füüsikaliste mudelite väljatöötamiseks teoreetiliste mudelite valideerimiseks, parema meditsiinilise ravi hõlbustamiseks ja meditsiinihariduse eesmärgil.
Pehmete kudede imiteerivate materjalide väljatöötamine keerukate väliste ja sisemiste struktuuriliste geomeetriate saavutamiseks on pälvinud palju tähelepanu, kuna nende loomupärased mehaanilised vastuolud võivad sihtrakendustes põhjustada rikkeid6,7. Kopsukoe keeruka biomehaanika modelleerimine, mis ühendab endas äärmise pehmuse, elastsuse ja struktuurilise poorsuse, on märkimisväärne väljakutse mudelite väljatöötamisel, mis reprodutseerivad täpselt inimese kopsu. Mehaaniliste ja radioloogiliste omaduste integreerimine ja sobitamine on kriitilise tähtsusega kopsumudelite tõhusa toimimise jaoks terapeutilistes sekkumistes. Lisandite tootmine on osutunud tõhusaks patsiendispetsiifiliste mudelite väljatöötamisel, võimaldades keerukate konstruktsioonide kiiret prototüüpimist. Shin jt8 töötasid välja reprodutseeritava, deformeeritava kopsumudeli 3D-prinditud hingamisteedega. Haselaar jt9 töötasid välja fantoomi, mis on väga sarnane päris patsientidega pildikvaliteedi hindamise ja asukoha kontrollimise meetodite jaoks kiiritusravis. Hong jt10 töötasid välja rindkere kompuutertomograafia mudeli, kasutades 3D-printimist ja silikoonvalu tehnoloogiat, et reprodutseerida erinevate kopsukahjustuste kompuutertomograafia intensiivsust ja hinnata kvantifitseerimise täpsust. Need prototüübid on aga sageli valmistatud materjalidest, mille efektiivsed omadused erinevad kopsukoe omadustest väga palju11.
Praegu on enamik kopsufantoome valmistatud silikoonist või polüuretaanvahust, mis ei vasta päris kopsuparenhüümi mehaanilistele ja radioloogilistele omadustele.12,13 Alginaathüdrogeelid on bioühilduvad ja neid on oma reguleeritavate mehaaniliste omaduste tõttu laialdaselt kasutatud koetehnoloogias.14 Kopsufantoomi jaoks vajaliku ülipehme, vahutaolise konsistentsi reprodutseerimine, mis täpselt jäljendab kopsukoe elastsust ja täitestruktuuri, on aga endiselt eksperimentaalne väljakutse.
Selles uuringus eeldati, et kopsukude on homogeenne elastne materjal. Inimese kopsukoe tihedus (\(\:\rho\:\)) on teatatud olevat 1,06 g/cm3 ja täispuhutud kopsu tihedus on 0,26 g/cm315. Erinevate katsemeetodite abil on saadud kopsukoe Youngi mooduli (MY) väärtuste lai vahemik. Lai-Fook jt. 16 mõõtsid ühtlaselt täispuhutud inimese kopsu YM-iks 0,42–6,72 kPa. Goss jt. 17 kasutasid magnetresonantselastograafiat ja teatasid YM-iks 2,17 kPa. Liu jt. 18 teatasid otseselt mõõdetud YM-iks 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi jt. 19 hindasid YM-iks 0,1–2,7 kPa, tuginedes valitud patsientidelt saadud 4D kompuutertomograafia andmetele.
Kopsu radioloogiliste omaduste kirjeldamiseks kasutatakse kopsukoe ja röntgenikiirguse vastastikmõju kirjeldamiseks mitmeid parameetreid, sealhulgas elementide koostist, elektrontihedust (\(\:{\rho\:}_{e}\)), efektiivset aatomnumbrit (\(\:{Z}_{eff}\)), keskmist ergastusenergiat (\(\:I\)), massi nõrgenemise koefitsienti (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ja Hounsfieldi ühikut (HU), mis on otseselt seotud \(\:\mu\:/\rho\:\)-ga.
Elektrontihedus \(\:{\rho\:}_{e}\) on defineeritud kui elektronide arv ruumalaühiku kohta ja arvutatakse järgmiselt:
kus \(\:\rho\:\) on materjali tihedus g/cm3, \(\:{N}_{A}\) on Avogadro konstant, \(\:{w}_{i}\) on massifraktsioon, \(\:{Z}_{i}\) on aatomnumber ja \(\:{A}_{i}\) on i-nda elemendi aatommass.
Aatomnumber on otseselt seotud materjali kiirgusinteraktsiooni olemusega. Mitme elemendi sisaldavate ühendite ja segude (nt kangaste) puhul tuleb arvutada efektiivne aatomnumber \(\:{Z}_{eff}\). Valemi pakkusid välja Murthy jt. 20:
Keskmine ergastusenergia \(\:I\) kirjeldab, kui kergesti sihtmärkmaterjal neelab läbitungivate osakeste kineetilist energiat. See kirjeldab ainult sihtmärkmaterjali omadusi ja sellel pole osakeste omadustega mingit pistmist. \(\:I\) saab arvutada Braggi aditiivsusreegli abil:
Massisumbumistegur \(\:\mu\:/\rho\:\) kirjeldab footonite läbitungimist ja energia vabanemist sihtmärgimaterjalis. Seda saab arvutada järgmise valemi abil:
Kus \(\:x\) on materjali paksus, \(\:{I}_{0}\) on langeva valguse intensiivsus ja \(\:I\) on footoni intensiivsus pärast materjali tungimist. \(\:\mu\:/\rho\:\) andmeid saab otse NIST 12621 standardite viiteandmebaasist. Segude ja ühendite \(\:\mu\:/\rho\:\) väärtusi saab tuletada aditiivsuse reegli abil järgmiselt:
HU on kompuutertomograafia (KT) andmete tõlgendamisel kasutatav standardiseeritud dimensioonita radiotiheduse mõõtühik, mis teisendatakse lineaarselt mõõdetud sumbumistegurist \(\:\mu\:\). See on defineeritud järgmiselt:
kus \(\:{\mu\:}_{water}\) on vee sumbumistegur ja \(\:{\mu\:}_{air}\) on õhu sumbumistegur. Seega näeme valemist (6), et vee HU väärtus on 0 ja õhu HU väärtus on -1000. Inimese kopsude HU väärtus jääb vahemikku -600 kuni -70022.
On välja töötatud mitu koeekvivalendi materjali. Griffith jt23 töötasid välja polüuretaanist (PU) inimese torso koeekvivalendi mudeli, millele lisati erineva kontsentratsiooniga kaltsiumkarbonaati (CaCO3), et simuleerida erinevate inimorganite, sealhulgas inimese kopsu, lineaarseid nõrgenemiskoefitsiente, ja mudelile pandi nimeks Griffith. Taylor24 esitles teist Lawrence Livermore'i riikliku labori (LLNL) välja töötatud kopsukoeekvivalendi mudelit nimega LLLL1. Traub jt25 töötasid välja uue kopsukoe aseaine, kasutades tulemuslikkuse parandajana Foamex XRS-272, mis sisaldas 5,25% CaCO3, ja millele pandi nimeks ALT2. Tabelites 1 ja 2 on näidatud inimese kopsu (ICRU-44) ja ülaltoodud koeekvivalendi mudelite \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) ja massi nõrgenemiskoefitsientide võrdlus.
Vaatamata saavutatud suurepärastele radioloogilistele omadustele on peaaegu kõik fantoommaterjalid valmistatud polüstüreenvahust, mis tähendab, et nende materjalide mehaanilised omadused ei lähene inimese kopsude omadustele. Polüuretaanvahu Youngi moodul (YM) on umbes 500 kPa, mis on normaalsete inimese kopsudega (umbes 5–10 kPa) võrreldes kaugel ideaalsest. Seetõttu on vaja välja töötada uus materjal, mis vastaks päris inimese kopsude mehaanilistele ja radioloogilistele omadustele.
Hüdrogeele kasutatakse laialdaselt koetehnoloogias. Selle struktuur ja omadused on sarnased rakuvälise maatriksiga (ECM) ja on kergesti reguleeritavad. Selles uuringus valiti vahtude valmistamiseks biomaterjaliks puhas naatriumalginaat. Alginaat-hüdrogeelid on bioühilduvad ja neid kasutatakse laialdaselt koetehnoloogias tänu oma reguleeritavatele mehaanilistele omadustele. Naatriumalginaadi elementide koostis (C6H7NaO6)n ja Ca2+ olemasolu võimaldavad selle radioloogilisi omadusi vastavalt vajadusele reguleerida. See reguleeritavate mehaaniliste ja radioloogiliste omaduste kombinatsioon muudab alginaat-hüdrogeelid meie uuringu jaoks ideaalseks. Loomulikult on alginaat-hüdrogeelidel ka piirangud, eriti pikaajalise stabiilsuse osas simuleeritud hingamistsüklite ajal. Seetõttu on nende piirangute kõrvaldamiseks vaja ja oodatakse edasisi uuringuid edasiste täiustuste tegemiseks.
Selles töös arendasime alginaat-hüdrogeelvahust materjali, millel on kontrollitavad rho väärtused, elastsus ja radioloogilised omadused, mis on sarnased inimese kopsukoe omadega. See uuring pakub üldise lahenduse koetaoliste fantoomide valmistamiseks, millel on häälestatavad elastsus- ja radioloogilised omadused. Materjali omadusi saab hõlpsasti kohandada mis tahes inimkoele ja -organile.
Hüdrogeelvahu sihtõhu ja mahu suhe arvutati inimese kopsude HU-vahemiku (-600 kuni -700) põhjal. Eeldati, et vaht oli õhu ja sünteetilise alginaat-hüdrogeeli lihtne segu. Kasutades üksikute elementide lihtsat liitmisreeglit (\:\mu\:/\rho\:\), sai arvutada õhu mahufraktsiooni ja sünteesitud alginaat-hüdrogeeli mahu suhte.
Alginaat-hüdrogeelvahud valmistati naatriumalginaadi (osa nr W201502), CaCO3 (osa nr 795445, MW: 100,09) ja GDL-i (osa nr G4750, MW: 178,14) abil, mis osteti firmalt Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% naatriumlaurüüleetersulfaat (SLES 70) osteti firmalt Renowned Trading LLC. Vahu valmistamise protsessis kasutati deioniseeritud vett. Naatriumalginaat lahustati deioniseeritud vees toatemperatuuril pidevalt segades (600 p/min), kuni saadi homogeenne kollane poolläbipaistev lahus. Geelistamisprotsessi alustamiseks kasutati Ca2+ allikana CaCO3 koos GDL-iga. SLES 70 kasutati pindaktiivse ainena, et moodustada hüdrogeeli sees poorne struktuur. Alginaadi kontsentratsioon hoiti 5% juures ja Ca2+:-COOH molaarsuhe hoiti 0,18 juures. Vahu valmistamise ajal hoiti neutraalse pH säilitamiseks CaCO3:GDL molaarsuhet samuti 0,5 juures. See väärtus on 26. Kõikidele proovidele lisati 2 mahuprotsenti SLES 70. Lahuse ja õhu segamissuhte kontrollimiseks kasutati kaanega keeduklaasi. Keeduklaasi kogumaht oli 140 ml. Teoreetiliste arvutuste tulemuste põhjal lisati keeduklaasi õhuga segamiseks erinevad segu mahud (50 ml, 100 ml, 110 ml). 50 ml segu sisaldav proov kavandati nii, et see seguneks piisava koguse õhuga, samas kui kahe ülejäänud proovi õhu mahu suhet kontrolliti. Esmalt lisati alginaadi lahusele SLES 70 ja segati elektrilise segistiga, kuni see oli täielikult segunenud. Seejärel lisati segule CaCO3 suspensioon ja segati pidevalt, kuni segu oli täielikult segunenud, kui selle värvus muutus valgeks. Lõpuks lisati segule geelistumise alustamiseks GDL lahus ja kogu protsessi vältel segati mehaaniliselt. 50 ml segu sisaldava proovi puhul peatati mehaaniline segamine, kui segu maht enam ei muutunud. 100 ml ja 110 ml segu sisaldavate proovide puhul peatati mehaaniline segamine, kui segu täitus keeduklaasi. Püüdsime valmistada ka hüdrogeelvahte mahuga 50 ml kuni 100 ml. Siiski täheldati vahu struktuurilist ebastabiilsust, kuna see kõikus täieliku õhu segunemise ja õhu mahu reguleerimise oleku vahel, mille tulemuseks oli ebajärjekindel mahu reguleerimine. See ebastabiilsus tõi arvutustesse ebakindlust ja seetõttu seda mahuvahemikku käesolevasse uuringusse ei kaasatud.
Hüdrogeelvahu tihedus \(\:\rho\:\) arvutatakse hüdrogeelvahu proovi massi \(\:m\) ja mahu \(\:V\) mõõtmise teel.
Hüdrogeelvahtude optilised mikroskoopilised kujutised saadi Zeiss Axio Observer A1 kaameraga. ImageJ tarkvara abil arvutati saadud piltide põhjal proovis teatud piirkonnas pooride arv ja suurusjaotus. Pooride kuju eeldatakse olevat ümmargune.
Alginaat-hüdrogeelvahtude mehaaniliste omaduste uurimiseks viidi läbi ühesuunalised survekatsed, kasutades TESTRESOURCES 100 seeria masinat. Proovid lõigati ristkülikukujulisteks plokkideks ja plokkide mõõtmed mõõdeti pingete ja deformatsioonide arvutamiseks. Ristpea kiirus seati 10 mm/min-le. Iga proovi kohta testiti kolme proovi ja tulemuste põhjal arvutati keskmine ja standardhälve. See uuring keskendus alginaat-hüdrogeelvahtude survemehaanilistele omadustele, kuna kopsukude allutatakse hingamistsükli teatud etapis survejõududele. Venivus on muidugi ülioluline, eriti kopsukoe täieliku dünaamilise käitumise kajastamiseks, ja seda uuritakse tulevastes uuringutes.
Valmistatud hüdrogeelvahuproove skaneeriti Siemens SOMATOM Drive kahekanalilisel kompuutertomograafiaskanneril. Skaneerimisparameetrid määrati järgmiselt: 40 mAs, 120 kVp ja 1 mm viilu paksus. Saadud DICOM-faile analüüsiti MicroDicom DICOM Viewer tarkvara abil, et analüüsida iga proovi 5 ristlõike HU väärtusi. KT abil saadud HU väärtusi võrreldi proovide tihedusandmetel põhinevate teoreetiliste arvutustega.
Selle uuringu eesmärk on muuta pehmete materjalide abil individuaalsete elundimudelite ja tehislike bioloogiliste kudede valmistamist revolutsiooniliselt. Inimese kopsude töömehaanikaga sobivate mehaaniliste ja radioloogiliste omadustega materjalide väljatöötamine on oluline sihtotstarbeliste rakenduste jaoks, nagu meditsiinilise väljaõppe parandamine, kirurgiline planeerimine ja kiiritusravi planeerimine. Joonisel 1A joonistasime graafikule inimese kopsumudelite valmistamiseks oletatavalt kasutatavate pehmete materjalide mehaaniliste ja radioloogiliste omaduste erinevuse. Praeguseks on välja töötatud materjale, millel on soovitud radioloogilised omadused, kuid nende mehaanilised omadused ei vasta soovitud nõuetele. Polüuretaanvaht ja kumm on deformeeritavate inimese kopsumudelite valmistamiseks kõige laialdasemalt kasutatavad materjalid. Polüuretaanvahu mehaanilised omadused (Youngi moodul, YM) on tavaliselt 10–100 korda suuremad kui normaalse inimese kopsukoe omad. Materjale, millel on nii soovitud mehaanilised kui ka radioloogilised omadused, ei ole veel teada.
(A) Erinevate pehmete materjalide omaduste skemaatiline esitus ja võrdlus inimese kopsuga tiheduse, Youngi mooduli ja radioloogiliste omaduste (HU-des) osas. (B) Alginaat-hüdrogeeli (\:\mu\:/\rho\:\) röntgendifraktsioonimuster kontsentratsiooniga 5% ja Ca2+:-COOH molaarsuhtega 0,18. (C) Õhu mahu suhete vahemik hüdrogeelvahtudes. (D) Alginaat-hüdrogeelvahtude skemaatiline esitus erinevate õhu mahu suhetega.
Arvutati alginaat-hüdrogeelide elementide koostis kontsentratsiooniga 5% ja Ca2+:-COOH molaarsuhtega 0,18 ning tulemused on esitatud tabelis 3. Eelmises valemis (5) toodud liitmisreegli kohaselt saadakse alginaat-hüdrogeeli massi nõrgenemise koefitsient \(\:\:\mu\:/\rho\:\), nagu on näidatud joonisel 1B.
Õhu ja vee \(\:\mu\:/\rho\:\) väärtused saadi otse NIST 12612 standardite võrdlusandmebaasist. Seega näitab joonis 1C arvutatud õhu mahu suhteid hüdrogeelvahtudes, mille HU ekvivalentväärtused inimese kopsu puhul on vahemikus -600 kuni -700. Teoreetiliselt arvutatud õhu mahu suhe on stabiilne 60–70% piires energiavahemikus 1 × 10−3 kuni 2 × 101 MeV, mis näitab head potentsiaali hüdrogeelvahu rakendamiseks tootmisprotsessides.
Joonis 1D näitab valmistatud alginaat-hüdrogeelvahu proovi. Kõik proovid lõigati kuubikuteks, mille serva pikkus oli 12,7 mm. Tulemused näitasid, et moodustus homogeenne, kolmemõõtmeliselt stabiilne hüdrogeelvaht. Sõltumata õhu mahu suhtest ei täheldatud hüdrogeelvahtude välimuses olulisi erinevusi. Hüdrogeelvahu isemajandav olemus viitab sellele, et hüdrogeelis moodustunud võrgustik on piisavalt tugev, et toetada vahu enda raskust. Lisaks väikesele veelekkele vahust näitas vaht ka ajutist stabiilsust mitme nädala jooksul.
Vahtproovi massi ja mahu mõõtmise teel arvutati valmistatud hüdrogeelvahu tihedus \(\:\rho\:\) ja tulemused on esitatud tabelis 4. Tulemused näitavad \(\:\rho\:\) sõltuvust õhu mahu suhtest. Kui 50 ml prooviga segatakse piisavalt õhku, muutub tihedus madalaimaks ja on 0,482 g/cm3. Segatud õhu koguse vähenedes suureneb tihedus 0,685 g/cm3-ni. Maksimaalne p-väärtus 50 ml, 100 ml ja 110 ml rühmade vahel oli 0,004 < 0,05, mis näitab tulemuste statistilist olulisust.
Teoreetiline \(\:\rho\:\) väärtus arvutatakse samuti kontrollitud õhumahu suhte abil. Mõõdetud tulemused näitavad, et \(\:\rho\:\) on 0,1 g/cm³ väiksem kui teoreetiline väärtus. Seda erinevust saab seletada hüdrogeelis geelistumisprotsessi käigus tekkiva sisemise pingega, mis põhjustab turset ja seega \(\:\rho\:\) vähenemist. Seda kinnitasid veelgi mõnede tühimike täheldamine hüdrogeelvahu sees joonisel 2 näidatud kompuutertomograafia piltidel (A, B ja C).
Erineva õhumahu sisaldusega hüdrogeelvahtude optilise mikroskoopia kujutised (A) 50, (B) 100 ja (C) 110. Rakkude arv ja pooride suuruse jaotus alginaat-hüdrogeelvahtproovides (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Joonis 3 (A, B, C) näitab hüdrogeelvahu proovide optilise mikroskoobi pilte erinevate õhumahu suhetega. Tulemused näitavad hüdrogeelvahu optilist struktuuri, näidates selgelt erineva läbimõõduga pooride kujutisi. Pooride arvu ja läbimõõdu jaotus arvutati ImageJ abil. Igast proovist tehti kuus pilti, iga pildi suurus oli 1125,27 μm × 843,96 μm ja iga proovi analüüsitud kogupindala oli 5,7 mm².
(A) Alginaat-hüdrogeelvahtude survepinge-deformatsiooni käitumine erinevate õhumahu suhetega. (B) Eksponentsiaalne sobitus. (C) Hüdrogeelvahtude kokkusurumise E0 erinevate õhumahu suhetega. (D) Alginaat-hüdrogeelvahtude piirsurvepinge ja -deformatsioon erinevate õhumahu suhetega.
Joonis 3 (D, E, F) näitab, et pooride suuruse jaotus on suhteliselt ühtlane, ulatudes kümnetest mikromeetritest kuni umbes 500 mikromeetrini. Pooride suurus on põhimõtteliselt ühtlane ja see väheneb veidi õhumahu vähenedes. Katseandmete kohaselt on 50 ml proovi keskmine pooride suurus 192,16 μm, mediaan on 184,51 μm ja pooride arv pindalaühiku kohta on 103; 100 ml proovi keskmine pooride suurus on 156,62 μm, mediaan on 151,07 μm ja pooride arv pindalaühiku kohta on 109; 110 ml proovi vastavad väärtused on vastavalt 163,07 μm, 150,29 μm ja 115. Andmed näitavad, et suuremad poorid mõjutavad keskmise pooride suuruse statistilisi tulemusi rohkem ja mediaanpooride suurus peegeldab paremini pooride suuruse muutuse trendi. Proovi mahu suurenedes 50 ml-lt 110 ml-ni suureneb ka pooride arv. Pooride mediaandiameetri ja pooride arvu statistiliste tulemuste kombineerimisel võib järeldada, et mahu suurenedes moodustub proovi sisse rohkem väiksema suurusega poore.
Mehaaniliste katsete andmed on näidatud joonistel 4A ja 4D. Joonis 4A näitab valmistatud hüdrogeelvahtude survepinge-deformatsiooni käitumist erinevate õhumahu suhetega. Tulemused näitavad, et kõigil proovidel on sarnane mittelineaarne pinge-deformatsiooni käitumine. Iga proovi puhul suureneb pinge deformatsiooni suurenedes kiiremini. Hüdrogeelvahu survepinge-deformatsiooni käitumisele sobitati eksponentsiaalkõver. Joonis 4B näitab tulemusi pärast eksponentsiaalfunktsiooni rakendamist hüdrogeelvahule ligikaudse mudelina.
Erineva õhumahu suhtega hüdrogeelvahtude puhul uuriti ka nende survemoodulit (E0). Sarnaselt hüdrogeelide analüüsiga uuriti Youngi survemoodulit 20% algpinge vahemikus. Survekatsete tulemused on näidatud joonisel 4C. Joonisel 4C olevad tulemused näitavad, et õhumahu suhte vähenemisel proovist 50 proovini 110 suureneb alginaat-hüdrogeelvahu Youngi survemoodul E0 10,86 kPa-lt 18 kPa-ni.
Samamoodi saadi hüdrogeelvahtude täielikud pinge-deformatsiooni kõverad, samuti lõplikud survepinged ja deformatsiooni väärtused. Joonis 4D näitab alginaat-hüdrogeelvahtude lõplikku survepinget ja deformatsiooni. Iga andmepunkt on kolme katse tulemuse keskmine. Tulemused näitavad, et lõplik survepinge suureneb gaasisisalduse vähenedes 9,84 kPa-lt 17,58 kPa-ni. Lõplik deformatsioon jääb stabiilseks umbes 38% juures.
Joonis 2 (A, B ja C) näitab proovidele 50, 100 ja 110 vastavate erinevate õhumahu suhetega hüdrogeelvahtude kompuutertomograafia (CT) kujutisi. Kujutised näitavad, et moodustunud hüdrogeelvaht on peaaegu homogeenne. Proovides 100 ja 110 täheldati väikest arvu tühimikke. Nende tühimike teke võib olla tingitud hüdrogeelis geelistumisprotsessi käigus tekkivatest sisepingetest. Arvutasime iga proovi 5 ristlõike HU väärtused ja loetlesime need tabelis 5 koos vastavate teoreetiliste arvutustulemustega.
Tabel 5 näitab, et erineva õhumahu suhtega proovid said erinevad HU väärtused. Maksimaalne p väärtus 50 ml, 100 ml ja 110 ml rühmade vahel oli 0,004 < 0,05, mis näitab tulemuste statistilist olulisust. Kolmest testitud proovist olid 50 ml seguga proovil radioloogilised omadused inimese kopsude omadustele kõige lähedasemad. Tabeli 5 viimane veerg on teoreetilise arvutuse tulemus, mis põhineb mõõdetud vahu väärtusel \(\:\rho\:\). Mõõdetud andmete võrdlemisel teoreetiliste tulemustega võib leida, et kompuutertomograafia abil saadud HU väärtused on üldiselt teoreetilistele tulemustele lähedased, mis omakorda kinnitab õhumahu suhte arvutuse tulemusi joonisel 1C.
Selle uuringu peamine eesmärk on luua materjal, mille mehaanilised ja radioloogilised omadused on võrreldavad inimese kopsude omadustega. See eesmärk saavutati hüdrogeelil põhineva materjali väljatöötamisega, millel on kohandatud koeekvivalendid mehaanilised ja radioloogilised omadused, mis on võimalikult lähedased inimese kopsude omadustele. Teoreetiliste arvutuste põhjal valmistati erineva õhumahu suhtega hüdrogeelvahud, segades mehaaniliselt naatriumalginaadi lahust, CaCO3, GDL-i ja SLES 70-t. Morfoloogiline analüüs näitas, et moodustus homogeenne kolmemõõtmeline stabiilne hüdrogeelvaht. Õhumahu suhte muutmisega saab vahu tihedust ja poorsust soovi korral muuta. Õhumahu sisalduse suurenemisega pooride suurus veidi väheneb ja pooride arv suureneb. Alginaat-hüdrogeelvahtude mehaaniliste omaduste analüüsimiseks viidi läbi survetestid. Tulemused näitasid, et survetestidest saadud survemoodul (E0) on inimese kopsude jaoks ideaalses vahemikus. E0 suureneb õhumahu suhte vähenemisel. Valmistatud proovide radioloogiliste omaduste (HU) väärtused saadi proovide kompuutertomograafia andmete põhjal ja võrreldi teoreetiliste arvutuste tulemustega. Tulemused olid soodsad. Mõõdetud väärtus on lähedane ka inimese kopsude HU väärtusele. Tulemused näitavad, et on võimalik luua kudesid imiteerivaid hüdrogeelvahte, millel on ideaalne mehaaniliste ja radioloogiliste omaduste kombinatsioon, mis jäljendab inimese kopsude omadusi.
Vaatamata paljulubavatele tulemustele tuleb praeguseid valmistamismeetodeid täiustada, et õhumahu suhet ja poorsust paremini kontrollida ning need vastaksid teoreetiliste arvutuste ja reaalsete inimese kopsude prognoosidele nii globaalsel kui ka lokaalsel skaalal. Käesolev uuring piirdub ka kokkusurumismehaanika testimisega, mis piirab fantoomi potentsiaalset rakendamist hingamistsükli kokkusurumisfaasis. Edasised uuringud saaksid kasu tõmbekatsete ja materjali üldise mehaanilise stabiilsuse uurimisest, et hinnata potentsiaalseid rakendusi dünaamiliste koormustingimustes. Vaatamata neile piirangutele on see uuring esimene edukas katse ühendada radioloogilised ja mehaanilised omadused ühes materjalis, mis jäljendab inimese kopsu.
Käesoleva uuringu käigus genereeritud ja/või analüüsitud andmekogumid on mõistliku taotluse korral vastavalt autorilt kättesaadavad. Nii katsed kui ka andmekogumid on korratavad.
Song, G. jt. Uudsed nanotehnoloogiad ja täiustatud materjalid vähi kiiritusraviks. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ jt. AAPM 76a töörühma aruanne hingamisliikumiste juhtimise kohta kiiritusonkoloogias. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. ja Brock, KK. Liidese ja materjali mittelineaarsuste modelleerimine inimese kopsudes. Füüsika ja meditsiin ja bioloogia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. jt. 3D-bioprintimise abil loodud kasvajalaadne kopsuvähi mudel. 3. Biotehnoloogia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. jt. Kopsudeformatsiooni modelleerimine: meetod, mis ühendab deformeeritavate kujutiste registreerimise tehnikaid ja ruumiliselt varieeruva Youngi mooduli hindamist. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF jt. Eluskoe jäikus ja selle mõju koetehnoloogiale. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).