Hvala vam što ste posjetili nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo korištenje najnovije verzije preglednika (ili isključivanje načina kompatibilnosti u Internet Exploreru). Osim toga, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, ova stranica neće uključivati ​​stilove ili JavaScript.
Kretanje organa i tkiva može dovesti do grešaka u pozicioniranju rendgenskih zraka tokom radioterapije. Stoga su potrebni materijali sa tkivno ekvivalentnim mehaničkim i radiološkim svojstvima kako bi se oponašalo kretanje organa radi optimizacije radioterapije. Međutim, razvoj takvih materijala ostaje izazov. Alginatni hidrogeli imaju svojstva slična onima ekstracelularnog matriksa, što ih čini obećavajućim kao tkivno ekvivalentni materijali. U ovoj studiji, alginatne hidrogel pjene sa željenim mehaničkim i radiološkim svojstvima sintetizirane su in situ oslobađanjem Ca2+. Odnos zraka i volumena pažljivo je kontroliran kako bi se dobile hidrogel pjene s definiranim mehaničkim i radiološkim svojstvima. Karakterizirana je makro- i mikromorfologija materijala, a proučavano je i ponašanje hidrogel pjena pod kompresijom. Radiološka svojstva su teoretski procijenjena i eksperimentalno provjerena korištenjem kompjuterizirane tomografije. Ova studija baca svjetlo na budući razvoj tkivno ekvivalentnih materijala koji se mogu koristiti za optimizaciju doze zračenja i kontrolu kvalitete tokom radioterapije.
Radioterapija je uobičajen tretman za rak1. Pomjeranje organa i tkiva često dovodi do grešaka u pozicioniranju rendgenskih zraka tokom radioterapije2, što može rezultirati nedovoljnim tretmanom tumora i prekomjernim izlaganjem okolnih zdravih ćelija nepotrebnom zračenju. Sposobnost predviđanja kretanja organa i tkiva ključna je za minimiziranje grešaka u lokalizaciji tumora. Ova studija se fokusirala na pluća, budući da ona prolaze kroz značajne deformacije i pokrete kada pacijenti dišu tokom radioterapije. Razvijeni su i primijenjeni različiti modeli konačnih elemenata za simulaciju kretanja ljudskih pluća3,4,5. Međutim, ljudski organi i tkiva imaju složenu geometriju i u velikoj mjeri zavise od pacijenta. Stoga su materijali sa svojstvima ekvivalentnim tkivu vrlo korisni za razvoj fizičkih modela za validaciju teorijskih modela, olakšavanje poboljšanog medicinskog tretmana i za potrebe medicinskog obrazovanja.
Razvoj materijala koji imitiraju meko tkivo radi postizanja složenih vanjskih i unutrašnjih strukturnih geometrija privukao je mnogo pažnje jer njihove inherentne mehaničke nedosljednosti mogu dovesti do kvarova u ciljanim primjenama6,7. Modeliranje složene biomehanike plućnog tkiva, koje kombinira ekstremnu mekoću, elastičnost i strukturnu poroznost, predstavlja značajan izazov u razvoju modela koji precizno reproduciraju ljudska pluća. Integracija i usklađivanje mehaničkih i radioloških svojstava ključni su za učinkovito djelovanje modela pluća u terapijskim intervencijama. Aditivna proizvodnja pokazala se učinkovitom u razvoju modela specifičnih za pacijenta, omogućavajući brzu izradu prototipova složenih dizajna. Shin i saradnici8 razvili su reproducibilan, deformabilan model pluća s 3D printanim disajnim putevima. Haselaar i saradnici9 razvili su fantom vrlo sličan stvarnim pacijentima za procjenu kvalitete slike i metode verifikacije položaja za radioterapiju. Hong i saradnici10 razvili su CT model grudnog koša koristeći 3D printanje i tehnologiju livenja silikonom kako bi reproducirali CT intenzitet različitih plućnih lezija radi procjene tačnosti kvantifikacije. Međutim, ovi prototipovi su često napravljeni od materijala čija se učinkovita svojstva vrlo razlikuju od svojstava plućnog tkiva11.
Trenutno, većina plućnih fantoma napravljena je od silikona ili poliuretanske pjene, koji ne odgovaraju mehaničkim i radiološkim svojstvima stvarnog plućnog parenhima.12,13 Alginatni hidrogeli su biokompatibilni i široko se koriste u tkivnom inženjerstvu zbog svojih podesivih mehaničkih svojstava.14 Međutim, reprodukcija ultra-meke, pjenaste konzistencije potrebne za plućni fantom koji precizno oponaša elastičnost i strukturu punjenja plućnog tkiva ostaje eksperimentalni izazov.
U ovoj studiji pretpostavljeno je da je plućno tkivo homogeni elastični materijal. Gustoća ljudskog plućnog tkiva (\(\:\rho\:\)) je, prema izvještajima, 1,06 g/cm3, a gustoća napuhanih pluća je 0,26 g/cm315. Širok raspon vrijednosti Youngovog modula (MY) plućnog tkiva dobiven je korištenjem različitih eksperimentalnih metoda. Lai-Fook i sar.16 izmjerili su Youngov modul elastičnosti (YM) ljudskih pluća s jednoličnom inflacijom na 0,42–6,72 kPa. Goss i sar.17 koristili su magnetnu rezonantnu elastografiju i izvijestili o YM od 2,17 kPa. Liu i sar.18 izvijestili su o direktno izmjerenom YM od 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi i sar.19 procijenili su YM na 0,1–2,7 kPa na osnovu 4D CT podataka dobivenih od odabranih pacijenata.
Za radiološka svojstva pluća, koristi se nekoliko parametara za opisivanje interakcijskog ponašanja plućnog tkiva s rendgenskim zracima, uključujući elementarni sastav, gustoću elektrona (\(\:{rho\:_{e}\)), efektivni atomski broj (\(\:{Z}_{eff}\)), srednju energiju pobuđivanja (\(\:I\)), koeficijent slabljenja mase (\(\:\mu\:/\rho\:\)) i Hounsfieldovu jedinicu (HU), koja je direktno povezana sa \(\:\mu\:/\rho\:\).
Gustina elektrona \(\:{\rho\:}_{e}\) je definirana kao broj elektrona po jedinici volumena i izračunava se na sljedeći način:
gdje je \(\:\rho\:\) gustoća materijala u g/cm3, \(\:{N}_{A}\) je Avogadrova konstanta, \(\:{w}_{i}\) je maseni udio, \(\:{Z}_{i}\) je atomski broj, a \(\:{A}_{i}\) je atomska težina i-tog elementa.
Atomski broj je direktno povezan s prirodom interakcije zračenja unutar materijala. Za spojeve i smjese koje sadrže nekoliko elemenata (npr. tkanine), efektivni atomski broj \(\:{Z}_{eff}\) mora se izračunati. Formulu su predložili Murthy i saradnici20:
Prosječna energija pobuđivanja \(\:I\) opisuje koliko lako ciljni materijal apsorbira kinetičku energiju prodirućih čestica. Ona opisuje samo svojstva ciljnog materijala i nema nikakve veze sa svojstvima čestica. \(\:I\) se može izračunati primjenom Braggovog pravila aditivnosti:
Koeficijent slabljenja mase \(\:\mu\:/\rho\:\) opisuje prodiranje i oslobađanje energije fotona u materijalu cilja. Može se izračunati pomoću sljedeće formule:
Gdje je \(\:x\) debljina materijala, \(\:{I}_{0}\) intenzitet upadne svjetlosti, a \(\:I\) intenzitet fotona nakon prodiranja u materijal. Podaci \(\:\mu\:/\rho\:\) mogu se dobiti direktno iz referentne baze podataka standarda NIST 12621. Vrijednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) za smjese i spojeve mogu se izvesti korištenjem pravila aditivnosti na sljedeći način:
HU je standardizovana bezdimenzijska jedinica mjere radiogustine u interpretaciji podataka kompjuterizovane tomografije (CT), koja se linearno transformiše iz izmjerenog koeficijenta atenuacije \(\:\mu\:\). Definiše se kao:
gdje je \(\:{\mu\:}_{voda}\) koeficijent slabljenja vode, a \(\:{\mu\:}_{zrak}\) koeficijent slabljenja zraka. Stoga, iz formule (6) vidimo da je HU vrijednost vode 0, a HU vrijednost zraka -1000. HU vrijednost za ljudska pluća kreće se od -600 do -70022.
Razvijeno je nekoliko materijala ekvivalentnih tkivu. Griffith i saradnici23 razvili su model ekvivalentnog tkiva ljudskog torza napravljen od poliuretana (PU) kojem su dodane različite koncentracije kalcijum karbonata (CaCO3) kako bi se simulirali linearni koeficijenti slabljenja različitih ljudskih organa, uključujući ljudska pluća, a model je nazvan Griffith. Taylor24 predstavio je drugi model ekvivalentnog plućnog tkiva koji je razvila Nacionalna laboratorija Lawrence Livermore (LLNL), nazvan LLLL1. Traub i saradnici25 razvili su novu zamjenu za plućno tkivo koristeći Foamex XRS-272 koji sadrži 5,25% CaCO3 kao pojačivač performansi, a koji je nazvan ALT2. Tabele 1 i 2 prikazuju poređenje \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) i koeficijenata slabljenja mase za ljudska pluća (ICRU-44) i gore navedenih modela ekvivalentnih tkiva.
Uprkos postignutim odličnim radiološkim svojstvima, gotovo svi fantomski materijali su napravljeni od polistirenske pjene, što znači da mehanička svojstva ovih materijala ne mogu dostići svojstva ljudskih pluća. Youngov modul (YM) poliuretanske pjene je oko 500 kPa, što je daleko od idealnog u poređenju sa normalnim ljudskim plućima (oko 5-10 kPa). Stoga je potrebno razviti novi materijal koji može zadovoljiti mehaničke i radiološke karakteristike stvarnih ljudskih pluća.
Hidrogeli se široko koriste u tkivnom inženjerstvu. Njihova struktura i svojstva su slična ekstracelularnom matriksu (ECM) i lako se podešavaju. U ovoj studiji, čisti natrijum alginat je odabran kao biomaterijal za pripremu pjena. Alginatni hidrogeli su biokompatibilni i široko se koriste u tkivnom inženjerstvu zbog svojih podesivih mehaničkih svojstava. Elementarni sastav natrijum alginata (C6H7NaO6)n i prisustvo Ca2+ omogućavaju podešavanje njegovih radioloških svojstava po potrebi. Ova kombinacija podesivih mehaničkih i radioloških svojstava čini alginatne hidrogelove idealnim za našu studiju. Naravno, alginatni hidrogeli također imaju ograničenja, posebno u pogledu dugoročne stabilnosti tokom simuliranih respiratornih ciklusa. Stoga su potrebna i očekuju se daljnja poboljšanja u budućim studijama kako bi se riješila ova ograničenja.
U ovom radu razvili smo pjenasti materijal od alginatnog hidrogela s kontroliranim rho vrijednostima, elastičnošću i radiološkim svojstvima sličnim onima ljudskog plućnog tkiva. Ova studija će pružiti opće rješenje za izradu fantoma sličnih tkivu s podesivim elastičnim i radiološkim svojstvima. Svojstva materijala mogu se lako prilagoditi bilo kojem ljudskom tkivu i organu.
Ciljani odnos zraka i volumena hidrogelne pjene izračunat je na osnovu HU raspona ljudskih pluća (-600 do -700). Pretpostavljeno je da je pjena jednostavna mješavina zraka i sintetičkog alginatnog hidrogela. Korištenjem jednostavnog pravila sabiranja pojedinačnih elemenata (\:\mu\:/\rho\:\), mogli su se izračunati volumenski udio zraka i volumenski odnos sintetiziranog alginatnog hidrogela.
Pjene alginatnog hidrogela pripremljene su korištenjem natrijum alginata (broj dijela W201502), CaCO3 (broj dijela 795445, MW: 100,09) i GDL-a (broj dijela G4750, MW: 178,14) kupljenih od kompanije Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% natrijum lauril eter sulfat (SLES 70) kupljen je od kompanije Renowned Trading LLC. U procesu pripreme pjene korištena je deionizirana voda. Natrijum alginat je rastvoren u deioniziranoj vodi na sobnoj temperaturi uz stalno miješanje (600 rpm) dok se nije dobila homogena žuta prozirna otopina. CaCO3 u kombinaciji sa GDL-om korišten je kao izvor Ca2+ za pokretanje geliranja. SLES 70 je korišten kao surfaktant za formiranje porozne strukture unutar hidrogela. Koncentracija alginata održavana je na 5%, a molarni omjer Ca2+:-COOH održavan je na 0,18. Molarni odnos CaCO3:GDL također je održavan na 0,5 tokom pripreme pjene kako bi se održao neutralni pH. Vrijednost je 26,2% po volumenu SLES 70 dodano je u sve uzorke. Čaša s poklopcem korištena je za kontrolu omjera miješanja otopine i zraka. Ukupna zapremina čaše bila je 140 ml. Na osnovu rezultata teorijskog proračuna, različite zapremine smjese (50 ml, 100 ml, 110 ml) dodane su u čašu radi miješanja sa zrakom. Uzorak koji sadrži 50 ml smjese dizajniran je za miješanje s dovoljno zraka, dok je omjer zapremine zraka u druga dva uzorka kontroliran. Prvo je SLES 70 dodan u otopinu alginata i miješan električnom mješalicom dok se potpuno ne izmiješa. Zatim je suspenzija CaCO3 dodana u smjesu i kontinuirano miješana dok se smjesa potpuno ne izmiješa, kada joj se boja promijeni u bijelu. Konačno, otopina GDL dodana je u smjesu kako bi se pokrenulo želiranje, a mehaničko miješanje je održavano tokom cijelog procesa. Za uzorak koji je sadržavao 50 ml smjese, mehaničko miješanje je zaustavljeno kada se volumen smjese prestao mijenjati. Za uzorke koji su sadržavali 100 ml i 110 ml smjese, mehaničko miješanje je zaustavljeno kada je smjesa napunila čašu. Također smo pokušali pripremiti hidrogel pjene volumena između 50 ml i 100 ml. Međutim, uočena je strukturna nestabilnost pjene, jer je fluktuirala između stanja potpunog miješanja zraka i stanja kontrole volumena zraka, što je rezultiralo nedosljednom kontrolom volumena. Ova nestabilnost unijela je nesigurnost u proračune, te stoga ovaj raspon volumena nije uključen u ovu studiju.
Gustoća (ρ) hidrogel pjene izračunava se mjerenjem mase (m) i volumena (V) uzorka hidrogel pjene.
Optičko-mikroskopske slike hidrogel pjena dobijene su korištenjem Zeiss Axio Observer A1 kamere. Softver ImageJ korišten je za izračunavanje broja i raspodjele veličine pora u uzorku na određenom području na osnovu dobijenih slika. Pretpostavlja se da je oblik pora kružan.
Za proučavanje mehaničkih svojstava alginatnih hidrogel pjena, provedeni su testovi jednoosne kompresije korištenjem TESTRESOURCES mašine serije 100. Uzorci su izrezani u pravokutne blokove, a dimenzije blokova su izmjerene kako bi se izračunali naponi i deformacije. Brzina poprečne glave postavljena je na 10 mm/min. Za svaki uzorak testirana su tri uzorka, a iz rezultata su izračunate srednja vrijednost i standardna devijacija. Ova studija se fokusirala na kompresivna mehanička svojstva alginatnih hidrogel pjena, budući da je plućno tkivo izloženo kompresivnim silama u određenoj fazi respiratornog ciklusa. Rastezljivost je, naravno, ključna, posebno da bi se odrazilo potpuno dinamičko ponašanje plućnog tkiva, a to će biti istraženo u budućim studijama.
Pripremljeni uzorci hidrogel pjene skenirani su na dvokanalnom CT skeneru Siemens SOMATOM Drive. Parametri skeniranja postavljeni su na sljedeći način: 40 mAs, 120 kVp i debljina sloja 1 mm. Dobivene DICOM datoteke analizirane su korištenjem MicroDicom DICOM Viewer softvera za analizu HU vrijednosti 5 poprečnih presjeka svakog uzorka. HU vrijednosti dobivene CT-om upoređene su s teorijskim proračunima zasnovanim na podacima o gustoći uzoraka.
Cilj ove studije je revolucioniranje izrade pojedinačnih modela organa i umjetnih bioloških tkiva inženjeringom mekih materijala. Razvoj materijala s mehaničkim i radiološkim svojstvima koja odgovaraju mehanici rada ljudskih pluća važan je za ciljane primjene kao što su poboljšanje medicinske obuke, hirurško planiranje i planiranje radioterapije. Na slici 1A prikazali smo razliku između mehaničkih i radioloških svojstava mekih materijala koji se navodno koriste za izradu modela ljudskih pluća. Do danas su razvijeni materijali koji pokazuju željena radiološka svojstva, ali njihova mehanička svojstva ne ispunjavaju željene zahtjeve. Poliuretanska pjena i guma su najčešće korišteni materijali za izradu deformabilnih modela ljudskih pluća. Mehanička svojstva poliuretanske pjene (Youngov modul, YM) su obično 10 do 100 puta veća od onih normalnog ljudskog plućnog tkiva. Materijali koji pokazuju i željena mehanička i radiološka svojstva još nisu poznati.
(A) Shematski prikaz svojstava različitih mekih materijala i poređenje s ljudskim plućima u smislu gustoće, Youngovog modula i radioloških svojstava (u HU). (B) Difrakcijski obrazac X-zraka alginatnog hidrogela (μ/rho) s koncentracijom od 5% i molarnim omjerom Ca2+:COOH od 0,18. (C) Raspon odnosa volumena zraka u hidrogelnim pjenama. (D) Shematski prikaz alginatnih hidrogelnih pjena s različitim omjerima volumena zraka.
Elementarni sastav alginatnih hidrogelova sa koncentracijom od 5% i molarnim odnosom Ca2+:-COOH od 0,18 je izračunat, a rezultati su prikazani u Tabeli 3. Prema pravilu sabiranja u prethodnoj formuli (5), koeficijent atenuacije mase alginatnog hidrogela \(\:\:\mu\:/\rho\:\) je dobijen kao što je prikazano na Slici 1B.
Vrijednosti \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​za zrak i vodu dobijene su direktno iz referentne baze podataka standarda NIST 12612. Dakle, Slika 1C prikazuje izračunate omjere volumena zraka u hidrogel pjenama s HU ekvivalentnim vrijednostima između -600 i -700 za ljudska pluća. Teoretski izračunati omjer volumena zraka stabilan je unutar 60–70% u rasponu energije od 1 × 10−3 do 2 × 101 MeV, što ukazuje na dobar potencijal za primjenu hidrogel pjene u nizvodnim proizvodnim procesima.
Slika 1D prikazuje pripremljeni uzorak pjene alginatnog hidrogela. Svi uzorci su izrezani na kocke s dužinom ruba od 12,7 mm. Rezultati su pokazali da je formirana homogena, trodimenzionalno stabilna pjena hidrogela. Bez obzira na omjer volumena zraka, nisu uočene značajne razlike u izgledu pjena hidrogela. Samoodrživa priroda pjene hidrogela sugerira da je mreža formirana unutar hidrogela dovoljno jaka da podnese težinu same pjene. Osim male količine curenja vode iz pjene, pjena je također pokazala prolaznu stabilnost tokom nekoliko sedmica.
Mjerenjem mase i zapremine uzorka pjene izračunata je gustoća pripremljene hidrogel pjene \(\:\rho\:\), a rezultati su prikazani u Tabeli 4. Rezultati pokazuju zavisnost \(\:\rho\:\) od zapreminskog odnosa zraka. Kada se dovoljna količina zraka pomiješa sa 50 ml uzorka, gustoća postaje najniža i iznosi 0,482 g/cm3. Kako se količina pomiješanog zraka smanjuje, gustoća se povećava na 0,685 g/cm3. Maksimalna p-vrijednost između grupa od 50 ml, 100 ml i 110 ml bila je 0,004 < 0,05, što ukazuje na statističku značajnost rezultata.
Teorijska vrijednost \(\:\rho\:\) je također izračunata korištenjem kontroliranog odnosa volumena zraka. Izmjereni rezultati pokazuju da je \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ manji od teorijske vrijednosti. Ova razlika se može objasniti unutrašnjim naponom koji se stvara u hidrogelu tokom procesa želiranja, što uzrokuje bubrenje i time dovodi do smanjenja \(\:\rho\:\). Ovo je dodatno potvrđeno uočavanjem nekih praznina unutar hidrogel pjene na CT slikama prikazanim na Slici 2 (A, B i C).
Slike hidrogel pjena dobivene optičkom mikroskopijom s različitim sadržajem zraka (A) 50, (B) 100 i (C) 110. Broj ćelija i raspodjela veličine pora u uzorcima alginatnih hidrogel pjena (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Slika 3 (A, B, C) prikazuje slike dobivene optičkim mikroskopom uzoraka hidrogel pjene s različitim omjerima volumena zraka. Rezultati pokazuju optičku strukturu hidrogel pjene, jasno prikazujući slike pora različitih promjera. Raspodjela broja i promjera pora izračunata je pomoću ImageJ-a. Za svaki uzorak snimljeno je šest slika, svaka slika je imala veličinu 1125,27 μm × 843,96 μm, a ukupna analizirana površina za svaki uzorak bila je 5,7 mm².
(A) Ponašanje kompresijskog napona i deformacije alginatnih hidrogel pjena s različitim omjerima volumena zraka. (B) Eksponencijalno prilagođavanje. (C) Kompresija E0 hidrogel pjena s različitim omjerima volumena zraka. (D) Granični kompresijski napon i deformacija alginatnih hidrogel pjena s različitim omjerima volumena zraka.
Slika 3 (D, E, F) pokazuje da je raspodjela veličine pora relativno ujednačena, u rasponu od nekoliko desetina mikrometara do oko 500 mikrometara. Veličina pora je u osnovi ujednačena i neznatno se smanjuje sa smanjenjem zapremine vazduha. Prema podacima ispitivanja, prosječna veličina pora uzorka od 50 ml je 192,16 μm, medijana je 184,51 μm, a broj pora po jedinici površine je 103; prosječna veličina pora uzorka od 100 ml je 156,62 μm, medijana je 151,07 μm, a broj pora po jedinici površine je 109; odgovarajuće vrijednosti uzorka od 110 ml su 163,07 μm, 150,29 μm i 115, respektivno. Podaci pokazuju da veće pore imaju veći uticaj na statističke rezultate prosječne veličine pora, a medijana veličina pora može bolje odražavati trend promjene veličine pora. Kako se volumen uzorka povećava od 50 ml do 110 ml, povećava se i broj pora. Kombinujući statističke rezultate srednjeg promjera pora i broja pora, može se zaključiti da se s povećanjem volumena unutar uzorka formira više pora manje veličine.
Podaci mehaničkih ispitivanja prikazani su na slikama 4A i 4D. Slika 4A prikazuje ponašanje kompresijskog napona i deformacije pripremljenih hidrogel pjena s različitim omjerima volumena zraka. Rezultati pokazuju da svi uzorci imaju slično nelinearno ponašanje napona i deformacije. Za svaki uzorak, napon se brže povećava s povećanjem napona. Eksponencijalna krivulja je prilagođena ponašanju kompresijskog napona i deformacije hidrogel pjene. Slika 4B prikazuje rezultate nakon primjene eksponencijalne funkcije kao aproksimativnog modela na hidrogel pjenu.
Za hidrogel pjene s različitim omjerima volumena zraka, proučavan je i njihov modul kompresije (E0). Slično analizi hidrogelova, Youngov modul kompresije istraživan je u rasponu od 20% početnog naprezanja. Rezultati testova kompresije prikazani su na slici 4C. Rezultati na slici 4C pokazuju da se, kako se omjer volumena zraka smanjuje od uzorka 50 do uzorka 110, Youngov modul kompresije E0 alginatne hidrogel pjene povećava od 10,86 kPa do 18 kPa.
Slično tome, dobijene su kompletne krivulje naprezanja i deformacije hidrogel pjena, kao i vrijednosti krajnjeg tlačnog napona i deformacije. Slika 4D prikazuje krajnji tlačni napon i deformaciju alginatnih hidrogel pjena. Svaka podatkovna tačka predstavlja prosjek rezultata tri ispitivanja. Rezultati pokazuju da krajnji tlačni napon raste od 9,84 kPa do 17,58 kPa sa smanjenjem sadržaja plina. Krajnji napon ostaje stabilan na oko 38%.
Slika 2 (A, B i C) prikazuje CT snimke hidrogel pjena s različitim omjerima volumena zraka koji odgovaraju uzorcima 50, 100 i 110, respektivno. Slike pokazuju da je formirana hidrogel pjena gotovo homogena. Mali broj praznina uočen je u uzorcima 100 i 110. Formiranje ovih praznina može biti posljedica unutrašnjeg napona generiranog u hidrogelu tokom procesa želiranja. Izračunali smo HU vrijednosti za 5 poprečnih presjeka svakog uzorka i naveli ih u Tabeli 5 zajedno s odgovarajućim teorijskim rezultatima proračuna.
Tabela 5 pokazuje da su uzorci s različitim omjerima volumena zraka dobili različite HU vrijednosti. Maksimalna p-vrijednost između grupa od 50 ml, 100 ml i 110 ml bila je 0,004 < 0,05, što ukazuje na statističku značajnost rezultata. Među tri testirana uzorka, uzorak sa smjesom od 50 ml imao je radiološka svojstva najbliža onima ljudskih pluća. Posljednja kolona Tabele 5 je rezultat dobijen teorijskim proračunom na osnovu izmjerene vrijednosti pjene \(\:\rho\:\). Poređenjem izmjerenih podataka s teorijskim rezultatima, može se utvrditi da su HU vrijednosti dobijene CT skeniranjem uglavnom bliske teorijskim rezultatima, što zauzvrat potvrđuje rezultate proračuna odnosa volumena zraka na Slici 1C.
Glavni cilj ove studije je stvaranje materijala s mehaničkim i radiološkim svojstvima usporedivim s onima ljudskih pluća. Ovaj cilj je postignut razvojem materijala na bazi hidrogela s prilagođenim mehaničkim i radiološkim svojstvima ekvivalentnim tkivu, koja su što sličnija svojstvima ljudskih pluća. Vođene teorijskim proračunima, pripremljene su hidrogel pjene s različitim omjerima volumena zraka mehaničkim miješanjem otopine natrijevog alginata, CaCO3, GDL-a i SLES 70. Morfološka analiza pokazala je da je formirana homogena trodimenzionalna stabilna hidrogel pjena. Promjenom omjera volumena zraka, gustoća i poroznost pjene mogu se mijenjati po volji. S povećanjem sadržaja volumena zraka, veličina pora se neznatno smanjuje, a broj pora se povećava. Provedeni su testovi kompresije kako bi se analizirala mehanička svojstva alginatnih hidrogel pjena. Rezultati su pokazali da je modul kompresije (E0) dobiven testovima kompresije u idealnom rasponu za ljudska pluća. E0 se povećava kako se smanjuje omjer volumena zraka. Vrijednosti radioloških svojstava (HU) pripremljenih uzoraka dobijene su na osnovu CT podataka uzoraka i upoređene sa rezultatima teorijskih proračuna. Rezultati su bili povoljni. Izmjerena vrijednost je također blizu HU vrijednosti ljudskih pluća. Rezultati pokazuju da je moguće stvoriti hidrogel pjene koje imitiraju tkivo sa idealnom kombinacijom mehaničkih i radioloških svojstava koja oponašaju svojstva ljudskih pluća.
Uprkos obećavajućim rezultatima, trenutne metode izrade potrebno je poboljšati kako bi se bolje kontrolisao odnos volumena zraka i poroznost, što bi se podudaralo s predviđanjima teorijskih proračuna i stvarnih ljudskih pluća na globalnoj i lokalnoj skali. Trenutna studija je također ograničena na testiranje mehanike kompresije, što ograničava potencijalnu primjenu fantoma na fazu kompresije respiratornog ciklusa. Buduća istraživanja bi imala koristi od istraživanja ispitivanja zatezanja, kao i ukupne mehaničke stabilnosti materijala, kako bi se procijenile potencijalne primjene u uslovima dinamičkog opterećenja. Uprkos ovim ograničenjima, studija označava prvi uspješan pokušaj kombinovanja radioloških i mehaničkih svojstava u jednom materijalu koji oponaša ljudska pluća.
Skupovi podataka generirani i/ili analizirani tokom trenutne studije dostupni su od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev. I eksperimenti i skupovi podataka su reproducibilni.
Song, G., et al. Nove nanotehnologije i napredni materijali za radioterapiju raka. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Izvještaj Radne grupe AAPM 76a o upravljanju respiratornim pokretima u radijacijskoj onkologiji. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. i Brock, KK Modeliranje međupovršine i nelinearnosti materijala u ljudskim plućima. Fizika i medicina i biologija 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Model tumorolikog raka pluća generiran 3D bioprintanjem. 3. Biotehnologija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modeliranje deformacije pluća: metoda koja kombinira tehnike registracije deformabilne slike i prostorno varijabilnu procjenu Youngovog modula. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF i dr. Krutost živog tkiva i njene implikacije za tkivno inženjerstvo. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).