Ви благодариме што ја посетивте страницата nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да ја користите најновата верзија на прелистувачот (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Дополнително, за да се обезбеди континуирана поддршка, оваа страница нема да вклучува стилови или JavaScript.
Движењето на органите и ткивата може да доведе до грешки во позиционирањето на рендгенските зраци за време на радиотерапијата. Затоа, потребни се материјали со механички и радиолошки својства еквивалентни на ткивото за да се имитира движењето на органите за оптимизација на радиотерапијата. Сепак, развојот на вакви материјали останува предизвик. Алгинатните хидрогели имаат својства слични на оние на екстрацелуларниот матрикс, што ги прави ветувачки како материјали еквивалентни на ткивото. Во оваа студија, алгинатните хидрогел пени со посакувани механички и радиолошки својства беа синтетизирани со in situ ослободување на Ca2+. Односот воздух-волумен беше внимателно контролиран за да се добијат хидрогел пени со дефинирани механички и радиолошки својства. Макро- и микроморфологијата на материјалите беа карактеризирани, а однесувањето на хидрогел пените под компресија беше проучено. Радиолошките својства беа теоретски проценети и експериментално потврдени со компјутеризирана томографија. Оваа студија фрла светлина врз идниот развој на материјали еквивалентни на ткивото што можат да се користат за оптимизација на дозата на зрачење и контрола на квалитетот за време на радиотерапијата.
Радиотерапијата е чест третман за рак1. Движењето на органите и ткивата често доведува до грешки во позиционирањето на рендгенските зраци за време на радиотерапијата2, што може да резултира со несоодветен третман на туморот и прекумерна изложеност на околните здрави клетки на непотребно зрачење. Способноста за предвидување на движењето на органите и ткивата е клучна за минимизирање на грешките во локализацијата на туморот. Оваа студија се фокусираше на белите дробови, бидејќи тие претрпуваат значителни деформации и движења кога пациентите дишат за време на радиотерапијата. Различни модели на конечни елементи се развиени и применети за симулирање на движењето на човечките бели дробови3,4,5. Сепак, човечките органи и ткива имаат сложени геометрии и се многу зависни од пациентот. Затоа, материјалите со својства еквивалентни на ткивото се многу корисни за развој на физички модели за валидација на теоретските модели, олеснување на подобрен медицински третман и за цели на медицинско образование.
Развојот на материјали што имитираат меки ткива за да се постигнат сложени надворешни и внатрешни структурни геометрии привлече големо внимание бидејќи нивните вродени механички недоследности можат да доведат до неуспеси во целните апликации6,7. Моделирањето на сложената биомеханика на белодробното ткиво, кое комбинира екстремна мекост, еластичност и структурна порозност, претставува значаен предизвик во развојот на модели што прецизно ги репродуцираат човечките бели дробови. Интеграцијата и усогласувањето на механичките и радиолошките својства се критични за ефикасното работење на моделите на белите дробови во терапевтските интервенции. Адитивното производство се покажа како ефикасно во развојот на модели специфични за пациентот, овозможувајќи брзо прототипирање на сложени дизајни. Шин и сор.8 развија репродуктивен, деформабилен модел на белите дробови со 3D печатени дишни патишта. Хаселар и сор.9 развија фантом многу сличен на вистински пациенти за методи за проценка на квалитетот на сликата и верификација на позицијата за радиотерапија. Хонг и сор.10 развија модел на КТ на граден кош користејќи технологија за 3D печатење и силиконско леење за да го репродуцираат интензитетот на КТ на различни лезии на белите дробови за да се процени точноста на квантификацијата. Сепак, овие прототипови често се направени од материјали чии ефективни својства се многу различни од оние на белодробното ткиво11.
Во моментов, повеќето белодробни фантоми се направени од силикон или полиуретанска пена, кои не се совпаѓаат со механичките и радиолошките својства на вистинскиот белодробен паренхим.12,13 Алгинатните хидрогели се биокомпатибилни и се широко користени во ткивното инженерство поради нивните прилагодливи механички својства.14 Сепак, репродукцијата на ултра меката, пенеста конзистенција потребна за белодробен фантом кој точно ја имитира еластичноста и структурата на полнење на белодробното ткиво останува експериментален предизвик.
Во оваа студија, се претпоставуваше дека белодробното ткиво е хомоген еластичен материјал. Густината на човечкото белодробно ткиво (\(\:\rho\:\)) е објавена дека е 1,06 g/cm3, а густината на надуеното белодробно крило е 0,26 g/cm315. Широк опсег на вредности на Јанговиот модул (MY) на белодробното ткиво е добиен со користење на различни експериментални методи. Лаи-Фук и сор. 16 го измериле YM на човечкото белодробно крило со униформна надувување од 0,42–6,72 kPa. Гос и сор. 17 користеле магнетна резонантна еластографија и известиле за YM од 2,17 kPa. Лиу и сор. 18 известиле за директно измерен YM од 0,03–57,2 kPa. Илегбуси и сор. 19 го процениле YM на 0,1–2,7 kPa врз основа на 4D CT податоци добиени од избрани пациенти.
За радиолошките својства на белите дробови, се користат неколку параметри за да се опише интеракциското однесување на белодробното ткиво со Х-зраците, вклучувајќи го елементарниот состав, густината на електроните (\(\:{\rho\:}_{e}\)), ефективниот атомски број (\(\:{Z}_{eff}\)), средната енергија на побудување (\(\:I\)), коефициентот на слабеење на масата (\(\:\mu\:/\rho\:\)) и Хаунсфилдовата единица (HU), која е директно поврзана со \(\:\mu\:/\rho\:\).
Густината на електроните \(\:{\rho\:}_{e}\) е дефинирана како број на електрони по единица волумен и се пресметува на следниов начин:
каде што \(\:\rho\:\) е густината на материјалот во g/cm3, \(\:{N}_{A}\) е Авогадровата константа, \(\:{w}_{i}\) е масениот удел, \(\:{Z}_{i}\) е атомскиот број и \(\:{A}_{i}\) е атомската тежина на i-тиот елемент.
Атомскиот број е директно поврзан со природата на интеракцијата на зрачењето во материјалот. За соединенија и мешавини што содржат неколку елементи (на пр., ткаенини), мора да се пресмета ефективниот атомски број \(\:{Z}_{eff}\). Формулата е предложена од Мурти и сор. 20:
Просечната енергија на побудување \(\:I\) опишува колку лесно целниот материјал ја апсорбира кинетичката енергија на пенетрирачките честички. Таа ги опишува само својствата на целниот материјал и нема никаква врска со својствата на честичките. \(\:I\) може да се пресмета со примена на правилото за адитивност на Брег:
Коефициентот на слабеење на масата (\:\mu\:/\rho\:\) го опишува пенетрацијата и ослободувањето на енергија на фотоните во целниот материјал. Може да се пресмета со помош на следната формула:
Каде што \(\:x\) е дебелината на материјалот, \(\:{I}_{0}\) е интензитетот на инцидентната светлина, а \(\:I\) е интензитетот на фотонот по пенетрацијата во материјалот. Податоците \(\:\mu\:/\rho\:\) може да се добијат директно од базата на податоци за стандарди NIST 12621. Вредностите \(\:\mu\:/\rho\:\) за мешавини и соединенија може да се изведат со користење на правилото за адитивност на следниов начин:
HU е стандардизирана бездимензионална единица за мерење на радиогустината при интерпретација на податоци од компјутеризирана томографија (КТ), која е линеарно трансформирана од измерениот коефициент на слабеење \(\:\mu\:\). Се дефинира како:
каде што \(\:{\mu\:}_{water}\) е коефициентот на атенуација на водата, а \(\:{\mu\:}_{air}\) е коефициентот на атенуација на воздухот. Затоа, од формулата (6) гледаме дека HU вредноста на водата е 0, а HU вредноста на воздухот е -1000. HU вредноста за човечките бели дробови се движи од -600 до -70022.
Развиени се неколку материјали за еквивалент на ткиво. Грифит и сор. 23 развија модел на еквивалент на ткиво на човечкото торзо направен од полиуретан (PU) на кој беа додадени различни концентрации на калциум карбонат (CaCO3) за да се симулираат линеарните коефициенти на атенуација на различни човечки органи, вклучувајќи го и човечкото белодробно крило, а моделот беше именуван Грифит. Тејлор24 презентираше втор модел на еквивалент на белодробно ткиво развиен од Националната лабораторија Лоренс Ливермор (LLNL), именуван LLLL1. Трауб и сор.25 развија нова замена за белодробно ткиво користејќи Foamex XRS-272 што содржи 5,25% CaCO3 како подобрувач на перформансите, кој беше именуван ALT2. Табелите 1 и 2 покажуваат споредба на \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) и коефициентите на масовно атенуирање за човечкото белодробно крило (ICRU-44) и горенаведените модели на еквивалент на ткиво.
И покрај одличните постигнати радиолошки својства, речиси сите фантомски материјали се направени од полистиренска пена, што значи дека механичките својства на овие материјали не можат да се приближат до оние на човечките бели дробови. Јанговиот модул (YM) на полиуретанската пена е околу 500 kPa, што е далеку од идеално во споредба со нормалните човечки бели дробови (околу 5-10 kPa). Затоа, потребно е да се развие нов материјал што може да ги задоволи механичките и радиолошките карактеристики на вистинските човечки бели дробови.
Хидрогелите се широко користени во ткивното инженерство. Нивната структура и својства се слични на екстрацелуларната матрица (ECM) и лесно се прилагодливи. Во оваа студија, чист натриум алгинат беше избран како биоматеријал за подготовка на пени. Алгинатните хидрогели се биокомпатибилни и широко се користат во ткивното инженерство поради нивните прилагодливи механички својства. Елементарниот состав на натриум алгинат (C6H7NaO6)n и присуството на Ca2+ овозможуваат неговите радиолошки својства да се прилагодат по потреба. Оваа комбинација на прилагодливи механички и радиолошки својства ги прави алгинатните хидрогели идеални за нашата студија. Секако, алгинатните хидрогели имаат и ограничувања, особено во однос на долгорочната стабилност за време на симулирани респираторни циклуси. Затоа, потребни се и се очекуваат понатамошни подобрувања во идните студии за да се решат овие ограничувања.
Во оваа работа, развивме материјал од пена од алгинат хидрогел со контролирани rho вредности, еластичност и радиолошки својства слични на оние на човечкото белодробно ткиво. Оваа студија ќе обезбеди општо решение за изработка на ткивни фантоми со прилагодливи еластични и радиолошки својства. Карактеристиките на материјалот можат лесно да се прилагодат на кое било човечко ткиво и орган.
Целниот однос воздух-волумен на хидрогел пената беше пресметан врз основа на HU опсегот на човечки бели дробови (-600 до -700). Се претпоставуваше дека пената е едноставна мешавина од воздух и синтетички алгинат хидрогел. Користејќи едноставно правило за собирање на поединечни елементи \(\:\mu\:/\rho\:\), можеше да се пресмета волуменскиот удел на воздухот и волуменскиот однос на синтетизираниот алгинат хидрогел.
Пените од алгинат хидрогел беа подготвени со употреба на натриум алгинат (број на дел W201502), CaCO3 (број на дел 795445, MW: 100,09) и GDL (број на дел G4750, MW: 178,14) купени од Sigma-Aldrich Company, Сент Луис, Мисури. 70% натриум лаурил етер сулфат (SLES 70) беше купен од Renowned Trading LLC. Во процесот на подготовка на пената беше користена дејонизирана вода. Натриум алгинат беше растворен во дејонизирана вода на собна температура со постојано мешање (600 вртежи во минута) додека не се добие хомоген жолт проѕирен раствор. CaCO3 во комбинација со GDL беше користен како извор на Ca2+ за да се иницира желатинизација. SLES 70 беше користен како сурфактант за да се формира порозна структура во внатрешноста на хидрогелот. Концентрацијата на алгинат беше одржувана на 5%, а моларниот однос Ca2+:-COOH беше одржуван на 0,18. Моларниот однос CaCO3:GDL исто така беше одржуван на 0,5 за време на подготовката на пената за да се одржи неутрална pH вредност. Вредноста е 26. 2% по волумен од SLES 70 беше додадено на сите примероци. Чаша со капак беше користена за контрола на односот на мешање на растворот и воздухот. Вкупниот волумен на чашата беше 140 ml. Врз основа на резултатите од теоретската пресметка, различни волумени од смесата (50 ml, 100 ml, 110 ml) беа додадени во чашата за да се измешаат со воздух. Примерокот што содржи 50 ml од смесата беше дизајниран да се меша со доволно воздух, додека односот на волуменот на воздухот во другите два примерока беше контролиран. Прво, SLES 70 беше додаден во растворот на алгинат и мешан со електричен мешач додека целосно не се измеша. Потоа, суспензијата на CaCO3 беше додадена во смесата и мешана континуирано додека смесата не се измеша целосно, кога нејзината боја се смени во бела. Конечно, растворот GDL беше додаден во смесата за да се започне со желатинирање, а механичкото мешање беше одржувано во текот на целиот процес. За примерокот што содржи 50 ml од смесата, механичкото мешање беше запрено кога волуменот на смесата престана да се менува. За примероците што содржат 100 ml и 110 ml од смесата, механичкото мешање беше запрено кога смесата ја наполни чашата. Исто така, се обидовме да подготвиме хидрогел пени со волумен помеѓу 50 ml и 100 ml. Сепак, беше забележана структурна нестабилност на пената, бидејќи таа флуктуираше помеѓу состојбата на целосно мешање на воздухот и состојбата на контрола на волуменот на воздухот, што резултираше со неконзистентна контрола на волуменот. Оваа нестабилност внесе неизвесност во пресметките и затоа овој опсег на волумен не беше вклучен во оваа студија.
Густината \(\:\rho\:\) на хидрогел пена се пресметува со мерење на масата \(\:m\) и волуменот \(\:V\) на примерок од хидрогел пена.
Оптички микроскопски слики од хидрогелови пени се добиени со помош на камера Zeiss Axio Observer A1. Софтверот ImageJ е користен за пресметување на бројот и распределбата на големината на порите во примерок во одредена област врз основа на добиените слики. Се претпоставува дека обликот на порите е кружен.
За да се проучат механичките својства на алгинатните хидрогел пени, беа извршени едноосни тестови за компресија со помош на машина од серијата TESTRESOURCES 100. Примероците беа исечени во правоаголни блокови и димензиите на блокот беа измерени за да се пресметаат напрегањата и деформациите. Брзината на пречникот беше поставена на 10 mm/min. За секој примерок беа тестирани три примероци и од резултатите беа пресметани средната вредност и стандардната девијација. Оваа студија се фокусираше на компресивните механички својства на алгинатните хидрогел пени, бидејќи белодробното ткиво е подложено на компресивни сили во одредена фаза од респираторниот циклус. Растегнувањето е секако клучно, особено за да се одрази целосното динамичко однесување на белодробното ткиво и ова ќе биде испитано во идните студии.
Подготвените примероци од хидрогел пена беа скенирани на двоканален компјутерски томограф (КТ) скенер Siemens SOMATOM Drive. Параметрите за скенирање беа поставени на следниов начин: 40 mAs, 120 kVp и дебелина на пресек од 1 mm. Добиените DICOM датотеки беа анализирани со помош на софтверот MicroDicom DICOM Viewer за да се анализираат вредностите на HU на 5 пресеци од секој примерок. Вредностите на HU добиени со КТ беа споредени со теоретски пресметки врз основа на податоците за густината на примероците.
Целта на оваа студија е да се револуционизира производството на индивидуални модели на органи и вештачки биолошки ткива преку инженерство на меки материјали. Развивањето материјали со механички и радиолошки својства што одговараат на механиката на работата на човечките бели дробови е важно за целни апликации како што се подобрување на медицинската обука, хируршкото планирање и планирањето на радиотерапијата. На Слика 1А, го прикажавме несовпаѓањето помеѓу механичките и радиолошките својства на меките материјали што се претпоставува дека се користат за производство на модели на човечки бели дробови. До денес, развиени се материјали што ги покажуваат посакуваните радиолошки својства, но нивните механички својства не ги исполнуваат посакуваните барања. Полиуретанската пена и гумата се најшироко користените материјали за производство на деформабилни модели на човечки бели дробови. Механичките својства на полиуретанската пена (Јангов модул, YM) се обично од 10 до 100 пати поголеми од оние на нормалното човечко белодробно ткиво. Материјалите што ги покажуваат и посакуваните механички и радиолошки својства сè уште не се познати.
(A) Шематски приказ на својствата на различни меки материјали и споредба со човечките бели дробови во однос на густината, Јанговиот модул и радиолошките својства (во HU). (B) Шема на дифракција на Х-зраци на \(\:\mu\:/\rho\:\) хидрогел од алгинат со концентрација од 5% и моларен однос Ca2+:-COOH од 0,18. (C) Опсег на односи на волумен на воздух во хидрогел пени. (D) Шематски приказ на хидрогел пени од алгинат со различни односи на волумен на воздух.
Елементарниот состав на алгинатните хидрогелови со концентрација од 5% и моларен однос Ca2+:-COOH од 0,18 е пресметан, а резултатите се прикажани во Табела 3. Според правилото за собирање во претходната формула (5), коефициентот на слабеење на масата на алгинатниот хидрогел \(\:\:\mu\:/\rho\:\) се добива како што е прикажано на Слика 1Б.
Вредностите \(\:\mu\:/\rho\:\) за воздух и вода се добиени директно од референтната база на податоци за стандардите NIST 12612. Така, Слика 1C ги прикажува пресметаните соодноси на волумен на воздух во хидрогел пени со еквивалентни вредности на HU помеѓу -600 и -700 за човечките бели дробови. Теоретски пресметаниот сооднос на волумен на воздух е стабилен во рамките на 60–70% во енергетскиот опсег од 1 × 10−3 до 2 × 101 MeV, што укажува на добар потенцијал за примена на хидрогел пена во процесите на производство низводно.
Слика 1D го прикажува подготвениот примерок од алгинатна хидрогел пена. Сите примероци беа исечени на коцки со должина на работ од 12,7 mm. Резултатите покажаа дека е формирана хомогена, тридимензионално стабилна хидрогел пена. Без оглед на односот на волуменот на воздухот, не се забележани значајни разлики во изгледот на хидрогел пените. Самоодржливата природа на хидрогел пената сугерира дека мрежата формирана во рамките на хидрогелот е доволно силна за да ја издржи тежината на самата пена. Освен мала количина на истекување на вода од пената, пената покажа и минлива стабилност во тек на неколку недели.
Со мерење на масата и волуменот на примерокот од пена, беше пресметана густината на подготвената хидрогел пена \(\:\rho\:\), а резултатите се прикажани во Табела 4. Резултатите ја покажуваат зависноста на \(\:\rho\:\) од волуменскиот однос на воздухот. Кога доволно воздух се меша со 50 ml од примерокот, густината станува најниска и изнесува 0,482 g/cm3. Како што се намалува количината на измешан воздух, густината се зголемува на 0,685 g/cm3. Максималната p вредност помеѓу групите од 50 ml, 100 ml и 110 ml беше 0,004 < 0,05, што укажува на статистичка значајност на резултатите.
Теоретската вредност \(\:\rho\:\) е исто така пресметана со користење на контролираниот сооднос на волумен на воздух. Измерените резултати покажуваат дека \(\:\rho\:\) е 0,1 g/cm³ помала од теоретската вредност. Оваа разлика може да се објасни со внатрешниот стрес генериран во хидрогелот за време на процесот на желатинирање, што предизвикува оток и на тој начин доведува до намалување на \(\:\rho\:\). Ова беше дополнително потврдено со набљудување на некои празнини во внатрешноста на хидрогеловата пена на КТ сликите прикажани на Слика 2 (A, B и C).
Слики од оптичка микроскопија на хидрогел пени со различна содржина на волумен на воздух (A) 50, (B) 100 и (C) 110. Број на клетки и распределба на големината на порите во примероци од алгинатна хидрогел пена (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Слика 3 (A, B, C) ги прикажува сликите од оптички микроскоп на примероците од хидрогел пена со различни соодноси на волумен на воздух. Резултатите ја покажуваат оптичката структура на хидрогел пената, јасно прикажувајќи ги сликите од порите со различни дијаметри. Распределбата на бројот на пори и дијаметарот е пресметана со помош на ImageJ. За секој примерок се направени шест слики, секоја слика имала големина од 1125,27 μm × 843,96 μm, а вкупната анализирана површина за секој примерок била 5,7 mm².
(A) Однесување при компресија на стрес-деформација на алгинатни хидрогел пени со различни соодноси на волумен на воздух. (B) Експоненцијално вклопување. (C) Компресија E0 на хидрогел пени со различни соодноси на волумен на воздух. (D) Крајно компресивно напрегање и деформација на алгинатни хидрогел пени со различни соодноси на волумен на воздух.
Слика 3 (D, E, F) покажува дека распределбата на големината на порите е релативно униформна, почнувајќи од десетици микрометри до околу 500 микрометри. Големината на порите е во основа униформна и малку се намалува со намалувањето на волуменот на воздухот. Според податоците од тестот, просечната големина на порите на примерокот од 50 ml е 192,16 μm, медијаната е 184,51 μm, а бројот на пори по единица површина е 103; просечната големина на порите на примерокот од 100 ml е 156,62 μm, медијаната е 151,07 μm, а бројот на пори по единица површина е 109; соодветните вредности на примерокот од 110 ml се 163,07 μm, 150,29 μm и 115, соодветно. Податоците покажуваат дека поголемите пори имаат поголемо влијание врз статистичките резултати на просечната големина на порите, а медијаната големина на порите може подобро да го одрази трендот на промена на големината на порите. Со зголемувањето на волуменот на примерокот од 50 ml на 110 ml, се зголемува и бројот на пори. Со комбинирање на статистичките резултати од средниот дијаметар на порите и бројот на пори, може да се заклучи дека со зголемување на волуменот, во примерокот се формираат повеќе пори со помала големина.
Податоците од механичките тестови се прикажани на сликите 4А и 4Д. Слика 4А го прикажува однесувањето на притисок-деформација при компресија на подготвените хидрогелови пени со различни соодноси на волумен на воздух. Резултатите покажуваат дека сите примероци имаат слично нелинеарно однесување на притисок-деформација. За секој примерок, стресот се зголемува побрзо со зголемување на деформацијата. Експоненцијална крива е прилагодена на однесувањето на притисок-деформација при компресија на хидрогеловата пена. Слика 4Б ги прикажува резултатите по примената на експоненцијалната функција како приближен модел на хидрогеловата пена.
За хидрогеловите пени со различни соодноси на волумен на воздух, беше проучен и нивниот модул на компресија (E0). Слично на анализата на хидрогелите, беше испитан и компресивниот Јангов модул во опсег од 20% почетно оптоварување. Резултатите од тестовите за компресија се прикажани на Слика 4C. Резултатите на Слика 4C покажуваат дека како што соодносот на волумен на воздух се намалува од примерокот 50 до примерокот 110, компресивниот Јангов модул E0 на алгинатната хидрогел пена се зголемува од 10,86 kPa на 18 kPa.
Слично на тоа, добиени се комплетните криви на напрегање-деформација на хидрогеловите пени, како и крајните вредности на компресивен напон и деформација. Слика 4D го прикажува крајниот компресивен напон и деформација на алгинатните хидрогелови пени. Секоја податочна точка е просек од три резултати од тестот. Резултатите покажуваат дека крајниот компресивен напон се зголемува од 9,84 kPa на 17,58 kPa со намалување на содржината на гас. Крајното напрегање останува стабилно на околу 38%.
Слика 2 (A, B и C) ги прикажува КТ сликите од хидрогел пени со различни соодноси на волумен на воздух што одговараат на примероците 50, 100 и 110, соодветно. Сликите покажуваат дека формираната хидрогел пена е речиси хомогена. Мал број празнини се забележани во примероците 100 и 110. Формирањето на овие празнини може да се должи на внатрешниот стрес генериран во хидрогелот за време на процесот на желатинирање. Ги пресметавме вредностите на HU за 5 пресеци од секој примерок и ги наведовме во Табела 5 заедно со соодветните теоретски резултати од пресметката.
Табела 5 покажува дека примероците со различни соодноси на волумен на воздух добиле различни вредности на HU. Максималната p вредност помеѓу групите од 50 ml, 100 ml и 110 ml била 0,004 < 0,05, што укажува на статистичка значајност на резултатите. Меѓу трите тестирани примероци, примерокот со смеса од 50 ml имал радиолошки својства најблиски до оние на човечките бели дробови. Последната колона од Табела 5 е резултатот добиен со теоретска пресметка врз основа на измерената вредност на пена \(\:\rho\:\). Со споредување на измерените податоци со теоретските резултати, може да се открие дека вредностите на HU добиени со КТ скенирање се генерално блиски до теоретските резултати, што пак ги потврдува резултатите од пресметката на соодносот на волумен на воздух на Слика 1C.
Главната цел на ова истражување е да се создаде материјал со механички и радиолошки својства споредливи со оние на човечките бели дробови. Оваа цел беше постигната со развој на материјал базиран на хидрогел со прилагодени механички и радиолошки својства еквивалентни на ткивото, кои се што е можно поблиски до оние на човечките бели дробови. Водени од теоретски пресметки, хидрогел пени со различни соодноси на волумен на воздух беа подготвени со механичко мешање на раствор на натриум алгинат, CaCO3, GDL и SLES 70. Морфолошката анализа покажа дека е формирана хомогена тродимензионална стабилна хидрогел пена. Со промена на соодносот на волумен на воздух, густината и порозноста на пената може да се менуваат по желба. Со зголемување на содржината на волумен на воздух, големината на порите малку се намалува, а бројот на пори се зголемува. Тестови за компресија беа спроведени за да се анализираат механичките својства на хидрогел пените од алгинат. Резултатите покажаа дека модулот на компресија (E0) добиен од тестовите за компресија е во идеален опсег за човечки бели дробови. E0 се зголемува како што се намалува соодносот на волумен на воздух. Вредностите на радиолошките својства (HU) на подготвените примероци се добиени врз основа на КТ податоците на примероците и споредени со резултатите од теоретските пресметки. Резултатите беа поволни. Измерената вредност е исто така блиску до вредноста на HU на човечките бели дробови. Резултатите покажуваат дека е можно да се создадат хидрогелови пени што имитираат ткиво со идеална комбинација на механички и радиолошки својства што ги имитираат својствата на човечките бели дробови.
И покрај ветувачките резултати, сегашните методи на производство треба да се подобрат за подобро да се контролира односот на волуменот на воздухот и порозноста за да се совпаднат со предвидувањата од теоретските пресметки и реалните човечки бели дробови, како на глобално, така и на локално ниво. Сегашната студија е ограничена и на тестирање на механиката на компресија, што ја ограничува потенцијалната примена на фантомот во фазата на компресија од респираторниот циклус. Идните истражувања би имале корист од истражување на тестирањето на истегнување, како и целокупната механичка стабилност на материјалот за да се проценат потенцијалните примени под услови на динамичко оптоварување. И покрај овие ограничувања, студијата го означува првиот успешен обид за комбинирање на радиолошките и механичките својства во еден материјал што ги имитира човечките бели дробови.
Групите податоци генерирани и/или анализирани за време на тековната студија се достапни од соодветниот автор по разумно барање. И експериментите и множествата податоци се репродуцибилни.
Сонг, Г. и др. Нови нанотехнологии и напредни материјали за радиотерапија на рак. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Кил, ПЈ и др. Извештај на работната група AAPM 76a за управување со респираторните движења во радијационата онкологија. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Ал-Маја, А., Мозли, Ј. и Брок, К.К. Моделирање на интерфејсот и материјалните нелинеарности во човечките бели дробови. Физика и медицина и биологија 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ванг, Х., и др. Модел на рак на белите дробови сличен на тумор генериран со 3Д биопечатење. 3. Биотехнологија. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М., и др. Моделирање на деформација на белите дробови: метод што комбинира техники за регистрација на деформабилни слики и просторно варијабилна проценка на Јанговиот модул. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гимареш, ЦФ и др. Цврстина на живото ткиво и нејзините импликации за инженерството на ткивата. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).