Paldies, ka apmeklējāt vietni nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot jaunāko pārlūkprogrammas versiju (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Turklāt, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, šajā vietnē netiks iekļauti stili vai JavaScript.
Orgānu un audu kustība var izraisīt kļūdas rentgenstaru pozicionēšanā staru terapijas laikā. Tāpēc ir nepieciešami materiāli ar audu ekvivalentām mehāniskām un radioloģiskām īpašībām, lai atdarinātu orgānu kustību staru terapijas optimizācijai. Tomēr šādu materiālu izstrāde joprojām ir izaicinājums. Algināta hidrogeliem ir līdzīgas īpašības kā ārpusšūnu matricai, padarot tos par daudzsološiem kā audu ekvivalentiem materiāliem. Šajā pētījumā algināta hidrogelu putas ar vēlamajām mehāniskajām un radioloģiskajām īpašībām tika sintezētas, atbrīvojot Ca2+ in situ. Gaisa un tilpuma attiecība tika rūpīgi kontrolēta, lai iegūtu hidrogelu putas ar noteiktām mehāniskām un radioloģiskām īpašībām. Tika raksturota materiālu makro- un mikromorfoloģija, un tika pētīta hidrogelu putu uzvedība saspiešanas laikā. Radioloģiskās īpašības tika teorētiski novērtētas un eksperimentāli pārbaudītas, izmantojot datortomogrāfiju. Šis pētījums sniedz ieskatu audu ekvivalentu materiālu turpmākajā attīstībā, ko var izmantot starojuma devas optimizācijai un kvalitātes kontrolei staru terapijas laikā.
Staru terapija ir izplatīta vēža ārstēšanas metode1. Orgānu un audu kustība bieži noved pie kļūdām rentgenstaru pozicionēšanā staru terapijas laikā2, kas var izraisīt audzēja nepietiekamu ārstēšanu un apkārtējo veselo šūnu pārmērīgu pakļaušanu nevajadzīgam starojumam. Spēja paredzēt orgānu un audu kustību ir ļoti svarīga, lai samazinātu audzēja lokalizācijas kļūdas. Šis pētījums koncentrējās uz plaušām, jo ​​tās piedzīvo ievērojamas deformācijas un kustības, kad pacienti elpo staru terapijas laikā. Ir izstrādāti un pielietoti dažādi galīgo elementu modeļi, lai simulētu cilvēka plaušu kustību3,4,5. Tomēr cilvēka orgāniem un audiem ir sarežģīta ģeometrija, un tie ir ļoti atkarīgi no pacienta. Tāpēc materiāli ar audu ekvivalentām īpašībām ir ļoti noderīgi fizisko modeļu izstrādei, lai validētu teorētiskos modeļus, veicinātu uzlabotu medicīnisko ārstēšanu un medicīniskās izglītības nolūkos.
Mīksto audu imitējošu materiālu izstrāde, lai panāktu sarežģītas ārējās un iekšējās strukturālās ģeometrijas, ir piesaistījusi lielu uzmanību, jo to raksturīgās mehāniskās neatbilstības var izraisīt kļūmes mērķa pielietojumos6,7. Plaušu audu sarežģītās biomehānikas modelēšana, kas apvieno ārkārtēju maigumu, elastību un strukturālo porainību, rada ievērojamus izaicinājumus, izstrādājot modeļus, kas precīzi atveido cilvēka plaušas. Mehānisko un radioloģisko īpašību integrācija un saskaņošana ir kritiski svarīga plaušu modeļu efektīvai darbībai terapeitiskās intervencēs. Aditīvā ražošana ir pierādījusi savu efektivitāti pacientam specifisku modeļu izstrādē, ļaujot ātri izveidot sarežģītu dizainu prototipus. Šins un līdzautori8 izstrādāja reproducējamu, deformējamu plaušu modeli ar 3D drukātiem elpceļiem. Haselārs un līdzautori9 izstrādāja fantomu, kas ir ļoti līdzīgs reāliem pacientiem attēla kvalitātes novērtēšanai un pozīcijas verifikācijas metodēm staru terapijai. Hongs un līdzautori10 izstrādāja krūškurvja datortomogrāfijas modeli, izmantojot 3D drukāšanu un silikona liešanas tehnoloģiju, lai atveidotu dažādu plaušu bojājumu datortomogrāfijas intensitāti un novērtētu kvantitatīvās noteikšanas precizitāti. Tomēr šie prototipi bieži tiek izgatavoti no materiāliem, kuru efektīvās īpašības ļoti atšķiras no plaušu audu īpašībām11.
Pašlaik lielākā daļa plaušu fantomu ir izgatavoti no silikona vai poliuretāna putām, kas neatbilst reālas plaušu parenhīmas mehāniskajām un radioloģiskajām īpašībām.12,13 Algināta hidrogēli ir bioloģiski saderīgi un to regulējamo mehānisko īpašību dēļ tiek plaši izmantoti audu inženierijā.14 Tomēr īpaši mīkstas, putām līdzīgas konsistences reproducēšana, kas nepieciešama plaušu fantomam, kurš precīzi atdarina plaušu audu elastību un pildījuma struktūru, joprojām ir eksperimentāls izaicinājums.
Šajā pētījumā tika pieņemts, ka plaušu audi ir homogēns elastīgs materiāls. Cilvēka plaušu audu blīvums (\(\:\rho\:\)) ir ziņots kā 1,06 g/cm3, un piepūstas plaušu blīvums ir 0,26 g/cm315. Izmantojot dažādas eksperimentālas metodes, ir iegūts plašs plaušu audu Janga moduļa (MY) vērtību diapazons. Lai-Fook et al.16 izmērīja cilvēka plaušu elastības masu (YM) ar vienmērīgu piepūšanu kā 0,42–6,72 kPa. Goss et al.17 izmantoja magnētiskās rezonanses elastogrāfiju un ziņoja par YM 2,17 kPa. Liu et al.18 ziņoja par tieši izmērītu YM 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al.19 lēsa, ka YM ir 0,1–2,7 kPa, pamatojoties uz 4D datortomogrāfijas datiem, kas iegūti no atlasītiem pacientiem.
Plaušu radioloģiskajām īpašībām plaušu audu mijiedarbības uzvedības aprakstīšanai ar rentgenstariem tiek izmantoti vairāki parametri, tostarp elementu sastāvs, elektronu blīvums (\(\:{\rho\:}_{e}\)), efektīvais atomskaitlis (\(\:{Z}_{eff}\)), vidējā ierosmes enerģija (\(\:I\)), masas vājināšanās koeficients (\(\:\mu\:/\rho\:\)) un Haunsfīlda vienība (HU), kas ir tieši saistīta ar \(\:\mu\:/\rho\:\).
Elektronu blīvums \(\:{\rho\:}_{e}\) ir definēts kā elektronu skaits tilpuma vienībā un tiek aprēķināts šādi:
kur \(\:\rho\:\) ir materiāla blīvums g/cm3, \(\:{N}_{A}\) ir Avogadro konstante, \(\:{w}_{i}\) ir masas daļa, \(\:{Z}_{i}\) ir atomskaitlis un \(\:{A}_{i}\) ir i-tā elementa atomsvars.
Atomskaitlis ir tieši saistīts ar starojuma mijiedarbības raksturu materiālā. Savienojumiem un maisījumiem, kas satur vairākus elementus (piemēram, audumiem), ir jāaprēķina efektīvais atomskaitlis \(\:{Z}_{eff}\). Formulu ierosināja Murthy et al. 20:
Vidējā ierosmes enerģija \(\:I\) apraksta, cik viegli mērķa materiāls absorbē iekļūstošo daļiņu kinētisko enerģiju. Tā apraksta tikai mērķa materiāla īpašības un tai nav nekāda sakara ar daļiņu īpašībām. \(\:I\) var aprēķināt, piemērojot Brega aditivitātes likumu:
Masas vājināšanās koeficients \(\:\mu\:/\rho\:\) apraksta fotonu iespiešanos un enerģijas atbrīvošanos mērķa materiālā. To var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:
Kur \(\:x\) ir materiāla biezums, \(\:{I}_{0}\) ir krītošās gaismas intensitāte un \(\:I\) ir fotona intensitāte pēc iekļūšanas materiālā. \(\:\mu\:/\rho\:\) datus var iegūt tieši no NIST 12621 standartu atsauces datubāzes. \(\:\mu\:/\rho\:\) maisījumu un savienojumu vērtības var iegūt, izmantojot aditivitātes likumu šādi:
HU ir standartizēta bezdimensiju radiodensitātes mērvienība datortomogrāfijas (DT) datu interpretācijā, kas tiek lineāri transformēta no izmērītā vājināšanās koeficienta \(\:\mu\:\). To definē šādi:
kur \(\:{\mu\:}_{water}\) ir ūdens vājināšanās koeficients un \(\:{\mu\:}_{air}\) ir gaisa vājināšanās koeficients. Tāpēc no formulas (6) mēs redzam, ka ūdens HU vērtība ir 0, un gaisa HU vērtība ir -1000. Cilvēka plaušu HU vērtība ir no -600 līdz -70022.
Ir izstrādāti vairāki audu ekvivalenti materiāli. Grifits un līdzautori23 izstrādāja cilvēka rumpja audu ekvivalentu modeli, kas izgatavots no poliuretāna (PU), kuram tika pievienotas dažādas kalcija karbonāta (CaCO3) koncentrācijas, lai simulētu dažādu cilvēka orgānu, tostarp cilvēka plaušu, lineāros vājināšanās koeficientus, un modelim tika dots nosaukums Grifits. Teilors24 prezentēja otro plaušu audu ekvivalenta modeli, ko izstrādāja Lorensa Livermora Nacionālā laboratorija (LLNL), ar nosaukumu LLLL1. Traubs un līdzautori25 izstrādāja jaunu plaušu audu aizstājēju, izmantojot Foamex XRS-272, kas satur 5,25% CaCO3 kā veiktspējas uzlabotāju, un to nosauca par ALT2. 1. un 2. tabulā ir parādīts \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) un masas vājināšanās koeficientu salīdzinājums cilvēka plaušām (ICRU-44) un iepriekš minētajiem audu ekvivalenta modeļiem.
Neskatoties uz sasniegtajām lieliskajām radioloģiskajām īpašībām, gandrīz visi fantoma materiāli ir izgatavoti no putupolistirola, kas nozīmē, ka šo materiālu mehāniskās īpašības nevar tuvoties cilvēka plaušu īpašībām. Poliuretāna putu Janga modulis (YM) ir aptuveni 500 kPa, kas ir tālu no ideāla, salīdzinot ar normālām cilvēka plaušām (aptuveni 5–10 kPa). Tāpēc ir nepieciešams izstrādāt jaunu materiālu, kas atbilstu reālu cilvēka plaušu mehāniskajām un radioloģiskajām īpašībām.
Hidrogēli tiek plaši izmantoti audu inženierijā. To struktūra un īpašības ir līdzīgas ārpusšūnu matricai (ECM) un ir viegli regulējamas. Šajā pētījumā par biomateriālu putu ražošanai tika izvēlēts tīrs nātrija algināts. Algināta hidrogēli ir bioloģiski saderīgi un plaši izmantoti audu inženierijā, pateicoties to regulējamajām mehāniskajām īpašībām. Nātrija algināta elementārais sastāvs (C6H7NaO6)n un Ca2+ klātbūtne ļauj pielāgot tā radioloģiskās īpašības pēc nepieciešamības. Šī regulējamo mehānisko un radioloģisko īpašību kombinācija padara algināta hidrogēlus ideāli piemērotus mūsu pētījumam. Protams, algināta hidrogēliem ir arī ierobežojumi, īpaši attiecībā uz ilgtermiņa stabilitāti simulētu elpošanas ciklu laikā. Tāpēc ir nepieciešami un sagaidāmi turpmāki uzlabojumi, lai novērstu šos ierobežojumus.
Šajā darbā mēs izstrādājām algināta hidrogela putu materiālu ar kontrolējamām rho vērtībām, elastību un radioloģiskajām īpašībām, kas ir līdzīgas cilvēka plaušu audu īpašībām. Šis pētījums sniegs vispārēju risinājumu audiem līdzīgu fantomu izgatavošanai ar regulējamām elastības un radioloģiskajām īpašībām. Materiāla īpašības var viegli pielāgot jebkuriem cilvēka audiem un orgāniem.
Hidrogela putu mērķa gaisa un tilpuma attiecība tika aprēķināta, pamatojoties uz cilvēka plaušu HU diapazonu (no -600 līdz -700). Tika pieņemts, ka putas ir vienkāršs gaisa un sintētiskā algināta hidrogela maisījums. Izmantojot vienkāršu atsevišķu elementu saskaitīšanas likumu (\:\mu\:/\rho\:\), varēja aprēķināt gaisa tilpuma daļu un sintezētā algināta hidrogela tilpuma attiecību.
Algināta hidrogela putas tika sagatavotas, izmantojot nātrija alginātu (daļas Nr. W201502), CaCO3 (daļas Nr. 795445, MW: 100,09) un GDL (daļas Nr. G4750, MW: 178,14), kas iegādāti no Sigma-Aldrich Company, St. Louis, Misūri štatā. 70% nātrija laurilētera sulfāts (SLES 70) tika iegādāts no Renowned Trading LLC. Putu sagatavošanas procesā tika izmantots dejonizēts ūdens. Nātrija algināts tika izšķīdināts dejonizētā ūdenī istabas temperatūrā, nepārtraukti maisot (600 apgr./min.), līdz tika iegūts homogēns dzeltens, caurspīdīgs šķīdums. CaCO3 kombinācijā ar GDL tika izmantots kā Ca2+ avots, lai uzsāktu želejveida veidošanos. SLES 70 tika izmantots kā virsmaktīvā viela, lai hidrogela iekšpusē veidotu porainu struktūru. Algināta koncentrācija tika uzturēta 5% līmenī, un Ca2+:-COOH molārā attiecība tika uzturēta 0,18 līmenī. Putu sagatavošanas laikā CaCO3:GDL molārā attiecība tika uzturēta arī 0,5, lai uzturētu neitrālu pH līmeni. Vērtība ir 26. Visiem paraugiem tika pievienots 2 tilpuma% SLES 70. Šķīduma un gaisa sajaukšanas attiecības kontrolei tika izmantota vārglāze ar vāku. Vārglāzes kopējais tilpums bija 140 ml. Pamatojoties uz teorētisko aprēķinu rezultātiem, vārglāzei tika pievienoti dažādi maisījuma tilpumi (50 ml, 100 ml, 110 ml), lai sajauktos ar gaisu. Paraugs, kas saturēja 50 ml maisījuma, tika veidots tā, lai sajauktos ar pietiekamu gaisa daudzumu, savukārt pārējos divos paraugos gaisa tilpuma attiecība tika kontrolēta. Vispirms algināta šķīdumam pievienoja SLES 70 un maisīja ar elektrisko maisītāju, līdz tas bija pilnībā sajaukts. Pēc tam maisījumam pievienoja CaCO3 suspensiju un nepārtraukti maisīja, līdz maisījums bija pilnībā sajaukts, kad tā krāsa mainījās uz baltu. Visbeidzot, maisījumam pievienoja GDL šķīdumu, lai uzsāktu želejveida reakciju, un visa procesa laikā tika uzturēta mehāniska maisīšana. Paraugam, kas satur 50 ml maisījuma, mehāniskā maisīšana tika pārtraukta, kad maisījuma tilpums pārstāja mainīties. Paraugiem, kas satur 100 ml un 110 ml maisījuma, mehāniskā maisīšana tika pārtraukta, kad maisījums piepildīja vārglāzi. Mēs arī mēģinājām sagatavot hidrogela putas ar tilpumu no 50 ml līdz 100 ml. Tomēr tika novērota putu strukturālā nestabilitāte, jo tās svārstījās starp pilnīgas gaisa sajaukšanās stāvokli un gaisa tilpuma kontroles stāvokli, kā rezultātā tilpuma kontrole bija nekonsekventa. Šī nestabilitāte radīja nenoteiktību aprēķinos, tāpēc šis tilpuma diapazons šajā pētījumā netika iekļauts.
Hidrogela putu blīvumu \(\:\rho\:\) aprēķina, izmērot hidrogela putu parauga masu \(\:m\) un tilpumu \(\:V\).
Hidrogēlu putu optiskie mikroskopiskie attēli tika iegūti, izmantojot Zeiss Axio Observer A1 kameru. ImageJ programmatūra tika izmantota, lai aprēķinātu poru skaitu un izmēru sadalījumu paraugā noteiktā apgabalā, pamatojoties uz iegūtajiem attēliem. Tiek pieņemts, ka poru forma ir apļveida.
Lai pētītu algināta hidrogela putu mehāniskās īpašības, tika veikti vienvirziena saspiešanas testi, izmantojot TESTRESOURCES 100 sērijas iekārtu. Paraugi tika sagriezti taisnstūrveida blokos, un bloku izmēri tika izmērīti, lai aprēķinātu spriegumus un deformācijas. Šķērsgalvas ātrums tika iestatīts uz 10 mm/min. Katram paraugam tika pārbaudīti trīs paraugi, un no rezultātiem tika aprēķināta vidējā vērtība un standartnovirze. Šajā pētījumā galvenā uzmanība tika pievērsta algināta hidrogela putu spiedes mehāniskajām īpašībām, jo ​​plaušu audi noteiktā elpošanas cikla posmā tiek pakļauti saspiešanas spēkiem. Stiepjamība, protams, ir izšķiroša, jo īpaši, lai atspoguļotu plaušu audu pilnīgu dinamisko uzvedību, un tas tiks pētīts turpmākajos pētījumos.
Sagatavotie hidrogela putu paraugi tika skenēti ar Siemens SOMATOM Drive divkanālu datortomogrāfijas (CT) skeneri. Skenēšanas parametri tika iestatīti šādi: 40 mAs, 120 kVp un 1 mm šķēles biezums. Iegūtie DICOM faili tika analizēti, izmantojot MicroDicom DICOM Viewer programmatūru, lai analizētu katra parauga 5 šķērsgriezumu HU vērtības. Ar CT iegūtās HU vērtības tika salīdzinātas ar teorētiskiem aprēķiniem, kuru pamatā ir paraugu blīvuma dati.
Šī pētījuma mērķis ir revolucionizēt individuālu orgānu modeļu un mākslīgo bioloģisko audu izgatavošanu, inženierijas ceļā radot mīkstus materiālus. Materiālu izstrāde ar mehāniskām un radioloģiskām īpašībām, kas atbilst cilvēka plaušu darba mehānikai, ir svarīga mērķtiecīgiem pielietojumiem, piemēram, medicīniskās apmācības uzlabošanai, ķirurģiskās plānošanas un staru terapijas plānošanai. 1.A attēlā mēs attēlojām neatbilstību starp mīksto materiālu, kurus varētu izmantot cilvēka plaušu modeļu izgatavošanai, mehāniskajām un radioloģiskajām īpašībām. Līdz šim ir izstrādāti materiāli, kuriem piemīt vēlamās radioloģiskās īpašības, taču to mehāniskās īpašības neatbilst vēlamajām prasībām. Poliuretāna putas un gumija ir visplašāk izmantotie materiāli deformējamu cilvēka plaušu modeļu izgatavošanai. Poliuretāna putu mehāniskās īpašības (Joungas modulis, YM) parasti ir 10 līdz 100 reizes lielākas nekā normālu cilvēka plaušu audu īpašības. Materiāli, kuriem piemīt gan vēlamās mehāniskās, gan radioloģiskās īpašības, vēl nav zināmi.
(A) Dažādu mīksto materiālu īpašību shematisks attēlojums un salīdzinājums ar cilvēka plaušām blīvuma, Janga moduļa un radioloģisko īpašību (HU) ziņā. (B) Algināta hidrogela (\:\mu\:/\rho\:\) rentgenstaru difrakcijas attēls ar koncentrāciju 5% un Ca2+:-COOH molāro attiecību 0,18. (C) Gaisa tilpuma attiecību diapazons hidrogela putās. (D) Algināta hidrogela putu shematisks attēlojums ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām.
Tika aprēķināts algināta hidrogēlu elementu sastāvs ar koncentrāciju 5% un Ca2+:-COOH molāro attiecību 0,18, un rezultāti ir parādīti 3. tabulā. Saskaņā ar iepriekšējās formulas (5) saskaitīšanas likumu algināta hidrogēla masas vājināšanās koeficients \(\:\:\mu\:/\rho\:\) ir iegūts, kā parādīts 1.B attēlā.
Gaisa un ūdens \(\:\mu\:/\rho\:\) vērtības tika iegūtas tieši no NIST 12612 standartu atsauces datubāzes. Tādējādi 1.C attēlā parādītas aprēķinātās gaisa tilpuma attiecības hidrogela putās ar HU ekvivalenta vērtībām cilvēka plaušām no -600 līdz -700. Teorētiski aprēķinātā gaisa tilpuma attiecība ir stabila 60–70% robežās enerģijas diapazonā no 1 × 10−3 līdz 2 × 101 MeV, kas norāda uz labu potenciālu hidrogela putu pielietošanai pakārtotajos ražošanas procesos.
1.D attēlā redzams sagatavotais algināta hidrogela putu paraugs. Visi paraugi tika sagriezti kubos ar malas garumu 12,7 mm. Rezultāti parādīja, ka izveidojās homogēnas, trīsdimensiju stabilas hidrogela putas. Neatkarīgi no gaisa tilpuma attiecības, hidrogela putu izskatā netika novērotas būtiskas atšķirības. Hidrogela putu pašpietiekamā daba liecina, ka hidrogela iekšpusē izveidotais tīkls ir pietiekami stiprs, lai izturētu pašu putu svaru. Izņemot nelielu ūdens noplūdi no putām, putas arī uzrādīja pārejošu stabilitāti vairākas nedēļas.
Izmērot putu parauga masu un tilpumu, tika aprēķināts sagatavotā hidrogela putu blīvums \(\:\rho\:\), un rezultāti ir parādīti 4. tabulā. Rezultāti parāda \(\:\rho\:\) atkarību no gaisa tilpuma attiecības. Kad ar 50 ml parauga sajauc pietiekami daudz gaisa, blīvums kļūst viszemākais un ir 0,482 g/cm3. Samazinoties sajauktā gaisa daudzumam, blīvums palielinās līdz 0,685 g/cm3. Maksimālā p vērtība starp 50 ml, 100 ml un 110 ml grupām bija 0,004 < 0,05, kas norāda uz rezultātu statistisko nozīmīgumu.
Teorētiskā \(\:\rho\:\) vērtība tiek aprēķināta arī, izmantojot kontrolēto gaisa tilpuma attiecību. Izmērītie rezultāti liecina, ka \(\:\rho\:\) ir par 0,1 g/cm³ mazāka nekā teorētiskā vērtība. Šo atšķirību var izskaidrot ar iekšējo spriegumu, kas rodas hidrogelā želejas veidošanās procesā, kas izraisa pietūkumu un tādējādi noved pie \(\:\rho\:\) samazināšanās. To vēl vairāk apstiprināja dažu spraugu novērošana hidrogela putu iekšpusē CT attēlos, kas parādīti 2. attēlā (A, B un C).
Hidrogelu putu optiskās mikroskopijas attēli ar dažādu gaisa tilpuma saturu (A) 50, (B) 100 un (C) 110. Šūnu skaits un poru izmēru sadalījums algināta hidrogelu putu paraugos (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3. attēlā (A, B, C) parādīti hidrogela putu paraugu optiskā mikroskopa attēli ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām. Rezultāti parāda hidrogela putu optisko struktūru, skaidri parādot poru attēlus ar dažādiem diametriem. Poru skaita un diametra sadalījums tika aprēķināts, izmantojot ImageJ. Katram paraugam tika uzņemti seši attēli, katra attēla izmērs bija 1125,27 μm × 843,96 μm, un katra parauga kopējā analizētā platība bija 5,7 mm².
(A) Algināta hidrogela putu spiedes sprieguma un deformācijas uzvedība ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām. (B) Eksponenciālā pielāgošana. (C) Hidrogela putu saspiešanas E0 ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām. (D) Algināta hidrogela putu galīgais spiedes spriegums un deformācija ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām.
3. attēlā (D, E, F) redzams, ka poru izmēru sadalījums ir relatīvi vienmērīgs, sākot no desmitiem mikrometru līdz aptuveni 500 mikrometriem. Poru izmērs būtībā ir vienmērīgs, un tas nedaudz samazinās, samazinoties gaisa tilpumam. Saskaņā ar testa datiem 50 ml parauga vidējais poru izmērs ir 192,16 μm, mediāna ir 184,51 μm, un poru skaits uz laukuma vienību ir 103; 100 ml parauga vidējais poru izmērs ir 156,62 μm, mediāna ir 151,07 μm, un poru skaits uz laukuma vienību ir 109; 110 ml parauga atbilstošās vērtības ir attiecīgi 163,07 μm, 150,29 μm un 115. Dati liecina, ka lielākām porām ir lielāka ietekme uz vidējā poru izmēra statistiskajiem rezultātiem, un vidējais poru izmērs var labāk atspoguļot poru izmēra izmaiņu tendenci. Palielinoties parauga tilpumam no 50 ml līdz 110 ml, palielinās arī poru skaits. Apvienojot vidējā poru diametra un poru skaita statistiskos rezultātus, var secināt, ka, palielinoties tilpumam, paraugā veidojas vairāk mazāka izmēra poru.
Mehānisko testu dati ir parādīti 4.A un 4.D attēlā. 4.A attēlā parādīta sagatavoto hidrogelu putu spiedes sprieguma un deformācijas uzvedība ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām. Rezultāti liecina, ka visiem paraugiem ir līdzīga nelineāra sprieguma un deformācijas uzvedība. Katram paraugam spriegums palielinās ātrāk, palielinoties deformācijai. Hidrogelu putu spiedes sprieguma un deformācijas uzvedībai tika pielāgota eksponenciālā līkne. 4.B attēlā parādīti rezultāti pēc eksponenciālās funkcijas piemērošanas kā aproksimējoša modeļa hidrogelu putām.
Hidrogelu putām ar atšķirīgu gaisa tilpuma attiecību tika pētīts arī to spiedes modulis (E0). Līdzīgi kā hidrogelu analīzē, spiedes Janga modulis tika pētīts 20% sākotnējās deformācijas diapazonā. Saspiešanas testu rezultāti ir parādīti 4.C attēlā. 4.C attēlā redzamie rezultāti parāda, ka, samazinoties gaisa tilpuma attiecībai no 50. parauga līdz 110. paraugam, algināta hidrogelu putu spiedes Janga modulis E0 palielinās no 10,86 kPa līdz 18 kPa.
Līdzīgi tika iegūtas pilnas hidrogela putu sprieguma un deformācijas līknes, kā arī galīgā spiedes sprieguma un deformācijas vērtības. 4.D attēlā parādīts algināta hidrogela putu galīgais spiedes spriegums un deformācija. Katrs datu punkts ir trīs testa rezultātu vidējais lielums. Rezultāti liecina, ka galīgais spiedes spriegums palielinās no 9,84 kPa līdz 17,58 kPa, samazinoties gāzes saturam. Galīgā deformācija saglabājas stabila aptuveni 38% apmērā.
2. attēlā (A, B un C) parādīti hidrogela putu datortomogrāfijas attēli ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām, kas atbilst attiecīgi 50., 100. un 110. paraugam. Attēli parāda, ka izveidotās hidrogela putas ir gandrīz homogēnas. 100. un 110. paraugā tika novērots neliels skaits spraugu. Šo spraugu veidošanās var būt saistīta ar iekšējo spriegumu, kas rodas hidrogela veidošanās procesā. Mēs aprēķinājām HU vērtības 5 katra parauga šķērsgriezumiem un uzskaitījām tās 5. tabulā kopā ar atbilstošajiem teorētiskajiem aprēķinu rezultātiem.
5. tabulā redzams, ka paraugi ar atšķirīgu gaisa tilpuma attiecību ieguva atšķirīgas HU vērtības. Maksimālā p vērtība starp 50 ml, 100 ml un 110 ml grupām bija 0,004 < 0,05, kas norāda uz rezultātu statistisko nozīmīgumu. No trim testētajiem paraugiem paraugam ar 50 ml maisījumu bija radioloģiskās īpašības, kas bija vistuvākās cilvēka plaušu īpašībām. 5. tabulas pēdējā kolonnā ir rezultāts, kas iegūts, veicot teorētiskus aprēķinus, pamatojoties uz izmērīto putu vērtību \(\:\rho\:\). Salīdzinot izmērītos datus ar teorētiskajiem rezultātiem, var secināt, ka ar datortomogrāfijas skenēšanu iegūtās HU vērtības kopumā ir tuvas teorētiskajiem rezultātiem, kas savukārt apstiprina gaisa tilpuma attiecības aprēķina rezultātus 1.C attēlā.
Šī pētījuma galvenais mērķis ir radīt materiālu ar mehāniskām un radioloģiskām īpašībām, kas ir salīdzināmas ar cilvēka plaušu īpašībām. Šis mērķis tika sasniegts, izstrādājot uz hidrogela bāzes veidotu materiālu ar pielāgotām audu ekvivalentām mehāniskām un radioloģiskām īpašībām, kas ir pēc iespējas tuvākas cilvēka plaušu īpašībām. Vadoties pēc teorētiskiem aprēķiniem, hidrogela putas ar dažādām gaisa tilpuma attiecībām tika sagatavotas, mehāniski sajaucot nātrija algināta šķīdumu, CaCO3, GDL un SLES 70. Morfoloģiskā analīze parādīja, ka izveidojās homogēnas trīsdimensiju stabilas hidrogela putas. Mainot gaisa tilpuma attiecību, putu blīvumu un porainību var mainīt pēc vēlēšanās. Palielinoties gaisa tilpuma saturam, poru izmērs nedaudz samazinās un poru skaits palielinās. Lai analizētu algināta hidrogela putu mehāniskās īpašības, tika veikti kompresijas testi. Rezultāti parādīja, ka kompresijas testos iegūtais spiedes modulis (E0) ir ideālā diapazonā cilvēka plaušām. E0 palielinās, samazinoties gaisa tilpuma attiecībai. Sagatavoto paraugu radioloģisko īpašību (HU) vērtības tika iegūtas, pamatojoties uz paraugu CT datiem, un salīdzinātas ar teorētisko aprēķinu rezultātiem. Rezultāti bija labvēlīgi. Izmērītā vērtība ir tuvu arī cilvēka plaušu HU vērtībai. Rezultāti liecina, ka ir iespējams izveidot audus imitējošas hidrogela putas ar ideālu mehānisko un radioloģisko īpašību kombināciju, kas atdarina cilvēka plaušu īpašības.
Neskatoties uz daudzsološajiem rezultātiem, pašreizējās ražošanas metodes ir jāuzlabo, lai labāk kontrolētu gaisa tilpuma attiecību un porainību, kas atbilstu teorētisko aprēķinu un reālu cilvēka plaušu prognozēm gan globālā, gan lokālā mērogā. Pašreizējais pētījums aprobežojas arī ar saspiešanas mehānikas testēšanu, kas ierobežo fantoma potenciālo pielietojumu elpošanas cikla saspiešanas fāzē. Turpmākajos pētījumos būtu lietderīgi izpētīt stiepes testus, kā arī materiāla vispārējo mehānisko stabilitāti, lai novērtētu potenciālos pielietojumus dinamiskās slodzes apstākļos. Neskatoties uz šiem ierobežojumiem, pētījums ir pirmais veiksmīgais mēģinājums apvienot radioloģiskās un mehāniskās īpašības vienā materiālā, kas atdarina cilvēka plaušas.
Pašreizējā pētījuma laikā ģenerētie un/vai analizētie datu kopumi ir pieejami no atbilstošā autora pēc saprātīga pieprasījuma. Gan eksperimenti, gan datu kopas ir reproducējamas.
Song, G. u.c. Jaunas nanotehnoloģijas un progresīvi materiāli vēža staru terapijai. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. AAPM 76a darba grupas ziņojums par elpošanas kustību vadību staru onkoloģijā. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. un Brock, KK. Saskarnes un materiālu nelinearitātes modelēšana cilvēka plaušās. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Vangs, X. u. c. Audzējam līdzīgs plaušu vēža modelis, kas ģenerēts ar 3D biodrukāšanas palīdzību. 3. Biotehnoloģija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lī, M. u. c. Plaušu deformācijas modelēšana: metode, kas apvieno deformējamu attēlu reģistrācijas metodes un telpiski mainīgu Janga moduļa novērtējumu. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Dzīvo audu stingrība un tās ietekme uz audu inženieriju. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).