Hvala, ker ste obiskali nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo uporabo najnovejše različice brskalnika (ali izklop načina združljivosti v Internet Explorerju). Poleg tega za zagotovitev nadaljnje podpore to spletno mesto ne bo vključevalo slogov ali JavaScripta.
Premikanje organov in tkiv lahko med radioterapijo povzroči napake pri pozicioniranju rentgenskih žarkov. Zato so za optimizacijo radioterapije potrebni materiali s tkivno enakovrednimi mehanskimi in radiološkimi lastnostmi, ki posnemajo gibanje organov. Vendar pa razvoj takšnih materialov ostaja izziv. Alginatni hidrogeli imajo lastnosti, podobne lastnostim zunajceličnega matriksa, zaradi česar so obetavni kot tkivno enakovredni materiali. V tej študiji so bile sintetizirane alginatne hidrogelne pene z želenimi mehanskimi in radiološkimi lastnostmi z in situ sproščanjem Ca2+. Razmerje med zrakom in prostornino je bilo skrbno nadzorovano, da so bile pridobljene hidrogelne pene z določenimi mehanskimi in radiološkimi lastnostmi. Karakterizirana je bila makro- in mikromorfologija materialov ter preučeno je bilo obnašanje hidrogelnih pen pri stiskanju. Radiološke lastnosti so bile teoretično ocenjene in eksperimentalno preverjene z računalniško tomografijo. Ta študija osvetljuje prihodnji razvoj tkivno enakovrednih materialov, ki se lahko uporabljajo za optimizacijo odmerka sevanja in nadzor kakovosti med radioterapijo.
Radioterapija je pogosto zdravljenje raka1. Premikanje organov in tkiv med radioterapijo pogosto vodi do napak pri pozicioniranju rentgenskih žarkov2, kar lahko povzroči premajhno zdravljenje tumorja in prekomerno izpostavljenost okoliških zdravih celic nepotrebnemu sevanju. Sposobnost napovedovanja gibanja organov in tkiv je ključnega pomena za zmanjšanje napak pri lokalizaciji tumorja. Ta študija se je osredotočila na pljuča, saj se ta med dihanjem bolnikov med radioterapijo precej deformirajo in premikajo. Razviti in uporabljeni so bili različni modeli končnih elementov za simulacijo gibanja človeških pljuč3,4,5. Vendar pa imajo človeški organi in tkiva kompleksno geometrijo in so zelo odvisni od bolnika. Zato so materiali s tkivno enakovrednimi lastnostmi zelo uporabni za razvoj fizikalnih modelov za potrditev teoretičnih modelov, omogočanje izboljšanega zdravljenja in za namene medicinskega izobraževanja.
Razvoj materialov, ki posnemajo mehko tkivo, za doseganje kompleksnih zunanjih in notranjih strukturnih geometrij je pritegnil veliko pozornosti, saj lahko njihove inherentne mehanske nedoslednosti povzročijo napake pri ciljnih aplikacijah6,7. Modeliranje kompleksne biomehanike pljučnega tkiva, ki združuje izjemno mehkobo, elastičnost in strukturno poroznost, predstavlja velik izziv pri razvoju modelov, ki natančno reproducirajo človeška pljuča. Integracija in ujemanje mehanskih in radioloških lastnosti sta ključnega pomena za učinkovito delovanje modelov pljuč pri terapevtskih posegih. Aditivna proizvodnja se je izkazala za učinkovito pri razvoju modelov, specifičnih za pacienta, kar omogoča hitro izdelavo prototipov kompleksnih modelov. Shin in sod.8 so razvili ponovljiv, deformabilen model pljuč s 3D-natisnjenimi dihalnimi potmi. Haselaar in sod.9 so razvili fantom, ki je zelo podoben resničnim pacientom, za metode ocenjevanja kakovosti slike in preverjanja položaja pri radioterapiji. Hong in sod.10 so razvili model CT prsnega koša z uporabo 3D-tiskanja in tehnologije litja silikona za reprodukcijo intenzivnosti CT različnih pljučnih lezij za oceno natančnosti kvantifikacije. Vendar pa so ti prototipi pogosto izdelani iz materialov, katerih učinkovite lastnosti se zelo razlikujejo od lastnosti pljučnega tkiva11.
Trenutno je večina pljučnih fantomov izdelanih iz silikona ali poliuretanske pene, ki se ne ujemajo z mehanskimi in radiološkimi lastnostmi pravega pljučnega parenhima.12,13 Alginatni hidrogeli so biokompatibilni in se zaradi svojih nastavljivih mehanskih lastnosti pogosto uporabljajo v tkivnem inženirstvu.14 Vendar pa ostaja eksperimentalni izziv reprodukcija ultra mehke, peni podobne konsistence, ki je potrebna za pljučni fantom, ki natančno posnema elastičnost in polnilno strukturo pljučnega tkiva.
V tej študiji smo predpostavili, da je pljučno tkivo homogen elastičen material. Gostota človeškega pljučnega tkiva (\(\:\rho\:\)) je 1,06 g/cm3, gostota napihnjenih pljuč pa 0,26 g/cm315. Z uporabo različnih eksperimentalnih metod so dobili širok razpon vrednosti Youngovega modula (MY) pljučnega tkiva. Lai-Fook in sod.16 so izmerili Youngov modul elastičnosti (YM) človeških pljuč z enakomernim napihovanjem, ki je znašal 0,42–6,72 kPa. Goss in sod.17 so uporabili magnetno resonančno elastografijo in poročali o YM 2,17 kPa. Liu in sod.18 so poročali o neposredno izmerjenem YM 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi in sod.19 so na podlagi podatkov 4D CT, pridobljenih od izbranih bolnikov, ocenili YM na 0,1–2,7 kPa.
Za radiološke lastnosti pljuč se uporablja več parametrov za opis interakcijskega vedenja pljučnega tkiva z rentgenskimi žarki, vključno z elementarno sestavo, gostoto elektronov (\(\:{rho\:_{e}\)), efektivnim atomskim številom (\(\:{Z}_{eff}\)), povprečno energijo vzbujanja (\(\:I\)), koeficientom slabljenja mase (\(\:\mu\:/\rho\:\)) in Hounsfieldovo enoto (HU), ki je neposredno povezana z \(\:\mu\:/\rho\:\).
Elektronska gostota (\:{\rho\:}_{e}\) je definirana kot število elektronov na enoto prostornine in se izračuna na naslednji način:
kjer je \(\:\rho\:\) gostota materiala v g/cm3, \(\:{N}_{A}\) Avogadrova konstanta, \(\:{w}_{i}\) masni delež, \(\:{Z}_{i}\) atomsko število in \(\:{A}_{i}\) atomska teža i-tega elementa.
Atomsko število je neposredno povezano z naravo sevalne interakcije znotraj materiala. Za spojine in zmesi, ki vsebujejo več elementov (npr. tkanine), je treba izračunati efektivno atomsko število \(\:{Z}_{eff}\). Formulo so predlagali Murthy in sod.20:
Povprečna energija vzbujanja \(\:I\) opisuje, kako zlahka ciljni material absorbira kinetično energijo prodirajočih delcev. Opisuje le lastnosti ciljnega materiala in nima nobene zveze z lastnostmi delcev. \(\:I\) lahko izračunamo z uporabo Braggsovega pravila aditivnosti:
Koeficient slabljenja mase (\:\mu\:/\rho\:\) opisuje prodiranje in sproščanje energije fotonov v ciljnem materialu. Izračunamo ga lahko po naslednji formuli:
Kjer je \(\:x\) debelina materiala, \(\:{I}_{0}\) intenzivnost vpadne svetlobe in \(\:I\) intenzivnost fotona po prodiranju v material. Podatke \(\:\mu\:/\rho\:\) je mogoče dobiti neposredno iz referenčne baze podatkov standardov NIST 12621. Vrednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) za zmesi in spojine je mogoče izpeljati z uporabo pravila aditivnosti na naslednji način:
HU je standardizirana brezdimenzijska enota za merjenje radiogostote pri interpretaciji podatkov računalniške tomografije (CT), ki se linearno transformira iz izmerjenega koeficienta slabljenja \(\:\mu\:\). Definirana je kot:
kjer je \(\:{\mu\:}_{voda}\) koeficient slabljenja vode in \(\:{\mu\:}_{zrak}\) koeficient slabljenja zraka. Iz formule (6) torej vidimo, da je vrednost HU vode 0, vrednost HU zraka pa -1000. Vrednost HU za človeška pljuča se giblje od -600 do -70022.
Razvitih je bilo več tkivno ekvivalentnih materialov. Griffith in sod.23 so razvili tkivno ekvivalentni model človeškega trupa iz poliuretana (PU), ki so mu bile dodane različne koncentracije kalcijevega karbonata (CaCO3) za simulacijo linearnih koeficientov slabljenja različnih človeških organov, vključno s človeškimi pljuči, model pa je bil poimenovan Griffith. Taylor24 je predstavil drugi model pljučno ekvivalentnega tkiva, ki ga je razvil Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore (LLNL), imenovan LLLL1. Traub in sod.25 so razvili nov nadomestek pljučnega tkiva z uporabo Foamex XRS-272, ki vsebuje 5,25 % CaCO3 kot ojačevalec učinkovitosti, in ga poimenovali ALT2. Tabeli 1 in 2 prikazujeta primerjavo \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) in koeficientov slabljenja mase za človeška pljuča (ICRU-44) in zgoraj omenjenih tkivno ekvivalentnih modelov.
Kljub odličnim doseženim radiološkim lastnostim so skoraj vsi fantomski materiali izdelani iz polistirenske pene, kar pomeni, da se mehanske lastnosti teh materialov ne morejo približati lastnostim človeških pljuč. Youngov modul (YM) poliuretanske pene je približno 500 kPa, kar je daleč od idealnega v primerjavi z normalnimi človeškimi pljuči (približno 5–10 kPa). Zato je treba razviti nov material, ki bi lahko izpolnjeval mehanske in radiološke lastnosti pravih človeških pljuč.
Hidrogeli se pogosto uporabljajo v tkivnem inženirstvu. Njihova struktura in lastnosti so podobne zunajceličnemu matriksu (ECM) in jih je mogoče enostavno prilagajati. V tej študiji je bil kot biomaterial za pripravo pen izbran čisti natrijev alginat. Alginatni hidrogeli so biokompatibilni in se zaradi svojih prilagodljivih mehanskih lastnosti pogosto uporabljajo v tkivnem inženirstvu. Elementarna sestava natrijevega alginata (C6H7NaO6)n in prisotnost Ca2+ omogočata prilagajanje njegovih radioloških lastnosti po potrebi. Zaradi te kombinacije prilagodljivih mehanskih in radioloških lastnosti so alginatni hidrogeli idealni za našo študijo. Seveda imajo alginatni hidrogeli tudi omejitve, zlasti glede dolgoročne stabilnosti med simuliranimi dihalnimi cikli. Zato so potrebne nadaljnje izboljšave, ki jih pričakujemo v prihodnjih študijah, da bi odpravili te omejitve.
V tem delu smo razvili penasti material iz alginatnega hidrogela z nadzorovanimi vrednostmi rho, elastičnostjo in radiološkimi lastnostmi, podobnimi tistim pri človeškem pljučnem tkivu. Ta študija bo zagotovila splošno rešitev za izdelavo tkivu podobnih fantomov z nastavljivimi elastičnimi in radiološkimi lastnostmi. Lastnosti materiala je mogoče enostavno prilagoditi kateremu koli človeškemu tkivu in organu.
Ciljno razmerje med zrakom in prostornino hidrogelne pene je bilo izračunano na podlagi HU razpona človeških pljuč (-600 do -700). Predpostavljeno je bilo, da je pena preprosta mešanica zraka in sintetičnega alginatnega hidrogela. Z uporabo preprostega pravila seštevanja posameznih elementov (\:\mu\:/\rho\:\) je bilo mogoče izračunati prostorninski delež zraka in prostorninsko razmerje sintetiziranega alginatnega hidrogela.
Pene alginatnega hidrogela so bile pripravljene z uporabo natrijevega alginata (št. dela W201502), CaCO3 (št. dela 795445, MW: 100,09) in GDL (št. dela G4750, MW: 178,14), kupljenih pri podjetju Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70 % natrijev lavril eter sulfat (SLES 70) je bil kupljen pri podjetju Renowned Trading LLC. V postopku priprave pene je bila uporabljena deionizirana voda. Natrijev alginat je bil raztopljen v deionizirani vodi pri sobni temperaturi ob stalnem mešanju (600 vrt/min), dokler ni bila pridobljena homogena rumena prosojna raztopina. CaCO3 v kombinaciji z GDL je bil uporabljen kot vir Ca2+ za začetek želiranja. SLES 70 je bil uporabljen kot površinsko aktivna snov za tvorbo porozne strukture znotraj hidrogela. Koncentracija alginata je bila vzdrževana pri 5 %, molsko razmerje Ca2+:-COOH pa pri 0,18. Molsko razmerje CaCO3:GDL je bilo med pripravo pene vzdrževano na 0,5, da se je ohranil nevtralen pH. Vrednost je 26,2 volumna SLES 70. Za nadzor razmerja mešanja raztopine in zraka je bila uporabljena čaša s pokrovom. Skupna prostornina čaše je bila 140 ml. Na podlagi rezultatov teoretičnega izračuna so bili v čašo dodani različni volumni mešanice (50 ml, 100 ml, 110 ml), da se je zmešala z zrakom. Vzorec, ki je vseboval 50 ml mešanice, je bil zasnovan tako, da se je mešal z zadostno količino zraka, medtem ko je bilo razmerje volumna zraka v drugih dveh vzorcih nadzorovano. Najprej je bil raztopini alginata dodan SLES 70 in mešan z električnim mešalom, dokler se ni popolnoma premešal. Nato je bila mešanici dodana suspenzija CaCO3 in neprekinjeno mešana, dokler se mešanica ni popolnoma premešala, ko se je njena barva spremenila v belo. Nazadnje je bila mešanici dodana raztopina GDL, da se sproži želiranje, in mehansko mešanje je bilo ves čas postopka vzdrževano. Pri vzorcu, ki je vseboval 50 ml mešanice, smo mehansko mešanje ustavili, ko se je volumen mešanice nehal spreminjati. Pri vzorcih, ki sta vsebovala 100 ml in 110 ml mešanice, smo mehansko mešanje ustavili, ko je mešanica napolnila čašo. Poskušali smo pripraviti tudi hidrogelne pene s prostornino med 50 ml in 100 ml. Vendar smo opazili strukturno nestabilnost pene, saj je nihala med stanjem popolnega mešanja zraka in stanjem nadzora volumna zraka, kar je povzročilo nedosleden nadzor volumna. Ta nestabilnost je v izračune vnesla negotovost, zato to območje volumnov ni bilo vključeno v to študijo.
Gostota hidrogelne pene (\:\rho\:\) se izračuna z merjenjem mase (\:m\) in prostornine (\:V\) vzorca hidrogelne pene.
Optično mikroskopske slike hidrogelnih pen so bile pridobljene z uporabo kamere Zeiss Axio Observer A1. Za izračun števila in porazdelitve velikosti por v vzorcu na določenem območju na podlagi pridobljenih slik je bila uporabljena programska oprema ImageJ. Predpostavlja se, da je oblika por okrogla.
Za preučevanje mehanskih lastnosti alginatnih hidrogelnih pen so bili izvedeni enoosni kompresijski testi z uporabo stroja TESTRESOURCES serije 100. Vzorci so bili razrezani na pravokotne bloke in dimenzije blokov so bile izmerjene za izračun napetosti in deformacij. Hitrost križne glave je bila nastavljena na 10 mm/min. Za vsak vzorec so bili preizkušeni trije vzorci, iz rezultatov pa sta bila izračunana srednja vrednost in standardni odklon. Ta študija se je osredotočila na kompresijske mehanske lastnosti alginatnih hidrogelnih pen, saj je pljučno tkivo v določeni fazi dihalnega cikla izpostavljeno kompresijskim silam. Raztegljivost je seveda ključnega pomena, zlasti za odraz polnega dinamičnega vedenja pljučnega tkiva, in to bo raziskano v prihodnjih študijah.
Pripravljeni vzorci hidrogelne pene so bili skenirani na dvokanalnem CT skenerju Siemens SOMATOM Drive. Parametri skeniranja so bili nastavljeni na naslednji način: 40 mAs, 120 kVp in debelina reza 1 mm. Nastale datoteke DICOM so bile analizirane s programsko opremo MicroDicom DICOM Viewer za analizo vrednosti HU 5 prečnih prerezov vsakega vzorca. Vrednosti HU, pridobljene s CT, so bile primerjane s teoretičnimi izračuni, ki temeljijo na podatkih o gostoti vzorcev.
Cilj te študije je revolucionirati izdelavo posameznih modelov organov in umetnih bioloških tkiv z inženiringom mehkih materialov. Razvoj materialov z mehanskimi in radiološkimi lastnostmi, ki se ujemajo z delovno mehaniko človeških pljuč, je pomemben za ciljne aplikacije, kot so izboljšanje medicinskega usposabljanja, kirurško načrtovanje in načrtovanje radioterapije. Na sliki 1A smo prikazali neskladje med mehanskimi in radiološkimi lastnostmi mehkih materialov, ki se domnevno uporabljajo za izdelavo modelov človeških pljuč. Do danes so bili razviti materiali, ki kažejo želene radiološke lastnosti, vendar njihove mehanske lastnosti ne izpolnjujejo želenih zahtev. Poliuretanska pena in guma sta najpogosteje uporabljena materiala za izdelavo deformabilnih modelov človeških pljuč. Mehanske lastnosti poliuretanske pene (Youngov modul, YM) so običajno 10- do 100-krat večje od lastnosti normalnega človeškega pljučnega tkiva. Materiali, ki kažejo tako želene mehanske kot radiološke lastnosti, še niso znani.
(A) Shematski prikaz lastnosti različnih mehkih materialov in primerjava s človeškimi pljuči glede na gostoto, Youngov modul in radiološke lastnosti (v HU). (B) Rentgenski difrakcijski vzorec alginatnega hidrogela (μ/rho) s koncentracijo 5 % in molskim razmerjem Ca2+:COOH 0,18. (C) Območje volumskih razmerij zraka v hidrogelnih penah. (D) Shematski prikaz alginatnih hidrogelnih pen z različnimi volumskimi razmerji zraka.
Izračunana je bila elementarna sestava alginatnih hidrogelov s koncentracijo 5 % in molskim razmerjem Ca2+:-COOH 0,18, rezultati pa so prikazani v tabeli 3. V skladu s pravilom seštevanja v prejšnji formuli (5) se dobi koeficient slabljenja mase alginatnega hidrogela (\:\:\mu\:/\rho\:\), kot je prikazano na sliki 1B.
Vrednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​za zrak in vodo so bile pridobljene neposredno iz referenčne baze podatkov standardov NIST 12612. Slika 1C tako prikazuje izračunana razmerja volumnov zraka v hidrogelnih penah z vrednostmi HU ekvivalenta med -600 in -700 za človeška pljuča. Teoretično izračunano razmerje volumnov zraka je stabilno med 60 in 70 % v energijskem območju od 1 × 10−3 do 2 × 10^1 MeV, kar kaže na dober potencial za uporabo hidrogelne pene v nadaljnjih proizvodnih procesih.
Slika 1D prikazuje pripravljen vzorec alginatne hidrogelne pene. Vsi vzorci so bili razrezani na kocke z dolžino roba 12,7 mm. Rezultati so pokazali, da je nastala homogena, tridimenzionalno stabilna hidrogelna pena. Ne glede na razmerje volumna zraka niso opazili bistvenih razlik v videzu hidrogelnih pen. Samovzdržna narava hidrogelne pene kaže na to, da je mreža, ki je nastala znotraj hidrogela, dovolj močna, da podpira težo same pene. Poleg majhne količine puščanja vode iz pene je pena pokazala tudi prehodno stabilnost več tednov.
Z merjenjem mase in prostornine vzorca pene je bila izračunana gostota pripravljene hidrogelne pene (ρ), rezultati pa so prikazani v tabeli 4. Rezultati kažejo odvisnost ρ od volumskega razmerja zraka. Ko se s 50 ml vzorca zmeša dovolj zraka, postane gostota najnižja in znaša 0,482 g/cm3. Z zmanjšanjem količine mešanega zraka se gostota poveča na 0,685 g/cm3. Največja vrednost p med skupinami 50 ml, 100 ml in 110 ml je bila 0,004 < 0,05, kar kaže na statistično značilnost rezultatov.
Teoretična vrednost \(\:\rho\:\) je prav tako izračunana z uporabo kontroliranega razmerja volumna zraka. Izmerjeni rezultati kažejo, da je \(\:\rho\:\) za 0,1 g/cm³ manjša od teoretične vrednosti. To razliko je mogoče pojasniti z notranjo napetostjo, ki nastane v hidrogelu med procesom želiranja, kar povzroči nabrekanje in s tem zmanjšanje \(\:\rho\:\). To je bilo dodatno potrjeno z opazovanjem nekaterih vrzeli znotraj hidrogelne pene na CT slikah, prikazanih na sliki 2 (A, B in C).
Slike hidrogelnih pen z različno vsebnostjo zraka, pridobljene z optično mikroskopijo (A) 50, (B) 100 in (C) 110. Število celic in porazdelitev velikosti por v vzorcih alginatnih hidrogelnih pen (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Slika 3 (A, B, C) prikazuje slike vzorcev hidrogelne pene z različnimi razmerji volumna zraka, posnete z optičnim mikroskopom. Rezultati prikazujejo optično strukturo hidrogelne pene, pri čemer so jasno vidne slike por z različnimi premeri. Porazdelitev števila por in premera je bila izračunana z uporabo programa ImageJ. Za vsak vzorec je bilo posnetih šest slik, vsaka slika je imela velikost 1125,27 μm × 843,96 μm, skupna analizirana površina za vsak vzorec pa je bila 5,7 mm².
(A) Obnašanje tlačne napetosti in deformacije alginatnih hidrogelnih pen z različnimi razmerji volumna zraka. (B) Eksponentno prilagajanje. (C) Kompresija E0 hidrogelnih pen z različnimi razmerji volumna zraka. (D) Končna tlačna napetost in deformacija alginatnih hidrogelnih pen z različnimi razmerji volumna zraka.
Slika 3 (D, E, F) kaže, da je porazdelitev velikosti por relativno enakomerna in se giblje od nekaj deset mikrometrov do približno 500 mikrometrov. Velikost por je v osnovi enakomerna in se nekoliko zmanjšuje z zmanjšanjem volumna zraka. Glede na testne podatke je povprečna velikost por vzorca s prostornino 50 ml 192,16 μm, mediana 184,51 μm, število por na enoto površine pa 103; povprečna velikost por vzorca s prostornino 100 ml je 156,62 μm, mediana 151,07 μm, število por na enoto površine pa 109; ustrezne vrednosti vzorca s prostornino 110 ml so 163,07 μm, 150,29 μm oziroma 115. Podatki kažejo, da imajo večje pore večji vpliv na statistične rezultate povprečne velikosti por, mediana velikosti por pa lahko bolje odraža trend spremembe velikosti por. Z naraščanjem volumna vzorca od 50 ml do 110 ml se povečuje tudi število por. Če združimo statistične rezultate mediane premera por in števila por, lahko sklepamo, da se z naraščajočim volumnom v vzorcu tvori več manjših por.
Podatki mehanskih preskusov so prikazani na slikah 4A in 4D. Slika 4A prikazuje obnašanje tlačne napetosti in deformacije pripravljenih hidrogelnih pen z različnimi razmerji volumna zraka. Rezultati kažejo, da imajo vsi vzorci podobno nelinearno obnašanje napetosti in deformacije. Za vsak vzorec se napetost hitreje povečuje z naraščajočo deformacijo. Eksponentna krivulja je bila prilagojena obnašanju tlačne napetosti in deformacije hidrogelne pene. Slika 4B prikazuje rezultate po uporabi eksponentne funkcije kot približnega modela za hidrogelno peno.
Pri hidrogelnih penah z različnimi razmerji volumna zraka je bil preučen tudi njihov tlačni modul (E0). Podobno kot pri analizi hidrogelov je bil tudi tlačni Youngov modul raziskan v območju 20 % začetne deformacije. Rezultati tlačnih testov so prikazani na sliki 4C. Rezultati na sliki 4C kažejo, da se tlačni Youngov modul E0 alginatne hidrogelne pene z zmanjšanjem razmerja volumna zraka od vzorca 50 do vzorca 110 poveča z 10,86 kPa na 18 kPa.
Podobno so bile pridobljene celotne krivulje napetosti in deformacije hidrogelnih pen, kot tudi vrednosti končne tlačne napetosti in deformacije. Slika 4D prikazuje končno tlačno napetost in deformacijo alginatnih hidrogelnih pen. Vsaka podatkovna točka je povprečje treh rezultatov preskusov. Rezultati kažejo, da se končna tlačna napetost poveča z 9,84 kPa na 17,58 kPa z zmanjševanjem vsebnosti plina. Končna deformacija ostaja stabilna pri približno 38 %.
Slika 2 (A, B in C) prikazuje CT-slike hidrogelnih pen z različnimi razmerji volumna zraka, ki ustrezajo vzorcem 50, 100 in 110. Slike kažejo, da je nastala hidrogelna pena skoraj homogena. V vzorcih 100 in 110 je bilo opaženo majhno število vrzeli. Nastanek teh vrzeli je lahko posledica notranje napetosti, ki nastane v hidrogelu med procesom želiranja. Izračunali smo vrednosti HU za 5 prerezov vsakega vzorca in jih skupaj z ustreznimi rezultati teoretičnega izračuna navedli v tabeli 5.
Iz tabele 5 je razvidno, da so vzorci z različnimi razmerji volumna zraka dosegli različne vrednosti HU. Največja vrednost p med skupinami 50 ml, 100 ml in 110 ml je bila 0,004 < 0,05, kar kaže na statistično značilnost rezultatov. Med tremi testiranimi vzorci je imel vzorec s 50 ml mešanice radiološke lastnosti, ki so bile najbližje lastnostim človeških pljuč. Zadnji stolpec tabele 5 je rezultat, dobljen s teoretičnim izračunom na podlagi izmerjene vrednosti pene (ρ). S primerjavo izmerjenih podatkov s teoretičnimi rezultati lahko ugotovimo, da so vrednosti HU, pridobljene s CT skeniranjem, na splošno blizu teoretičnim rezultatom, kar posledično potrjuje rezultate izračuna razmerja volumna zraka na sliki 1C.
Glavni cilj te študije je ustvariti material z mehanskimi in radiološkimi lastnostmi, primerljivimi z lastnostmi človeških pljuč. Ta cilj je bil dosežen z razvojem materiala na osnovi hidrogela s prilagojenimi mehanskimi in radiološkimi lastnostmi, ki so tkivno enakovredni in so čim bližje lastnostim človeških pljuč. Na podlagi teoretičnih izračunov so bile z mehanskim mešanjem raztopine natrijevega alginata, CaCO3, GDL in SLES 70 pripravljene hidrogelne pene z različnimi razmerji volumna zraka. Morfološka analiza je pokazala, da je nastala homogena tridimenzionalna stabilna hidrogelna pena. S spreminjanjem razmerja volumna zraka je mogoče poljubno spreminjati gostoto in poroznost pene. Z naraščanjem vsebnosti volumna zraka se velikost por nekoliko zmanjša, število por pa se poveča. Izvedeni so bili kompresijski testi za analizo mehanskih lastnosti alginatnih hidrogelnih pen. Rezultati so pokazali, da je kompresijski modul (E0), dobljen s kompresijskimi testi, v idealnem območju za človeška pljuča. E0 se povečuje z zmanjševanjem razmerja volumna zraka. Vrednosti radioloških lastnosti (HU) pripravljenih vzorcev so bile pridobljene na podlagi podatkov CT vzorcev in primerjane z rezultati teoretičnih izračunov. Rezultati so bili ugodni. Izmerjena vrednost je prav tako blizu vrednosti HU človeških pljuč. Rezultati kažejo, da je mogoče ustvariti hidrogelne pene, ki posnemajo tkivo, z idealno kombinacijo mehanskih in radioloških lastnosti, ki posnemajo lastnosti človeških pljuč.
Kljub obetavnim rezultatom je treba izboljšati trenutne metode izdelave, da bi bolje nadzorovali razmerje volumna zraka in poroznost, kar bi se ujemalo z napovedmi teoretičnih izračunov in dejanskih človeških pljuč na globalni in lokalni ravni. Trenutna študija je omejena tudi na testiranje mehanike kompresije, kar omejuje potencialno uporabo fantoma na fazo kompresije dihalnega cikla. Prihodnje raziskave bi imele koristi od preučevanja nateznih preizkusov in splošne mehanske stabilnosti materiala za oceno potencialne uporabe v dinamičnih pogojih obremenitve. Kljub tem omejitvam študija predstavlja prvi uspešen poskus združitve radioloških in mehanskih lastnosti v enem samem materialu, ki posnema človeška pljuča.
Nabori podatkov, ustvarjeni in/ali analizirani med trenutno študijo, so na voljo pri ustreznem avtorju na razumno zahtevo. Tako poskusi kot nabori podatkov so ponovljivi.
Song, G. in sod. Nove nanotehnologije in napredni materiali za radioterapijo raka. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ in sod. Poročilo projektne skupine AAPM 76a o upravljanju dihalnih gibov v radiacijski onkologiji. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. in Brock, KK Modeliranje vmesnika in nelinearnosti materialov v človeških pljučih. Fizika in medicina ter biologija 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. in sod. Model tumorju podobnega pljučnega raka, ustvarjen s 3D-biografskim tiskanjem. 3. Biotehnologija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. in sod. Modeliranje deformacije pljuč: metoda, ki združuje tehnike registracije deformabilne slike in prostorsko spreminjajočo se oceno Youngovega modula. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Togost živega tkiva in njen vpliv na tkivno inženirstvo. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).