Grazzi talli żort nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża l-aħħar verżjoni tal-browser (jew li titfi l-modalità ta' kompatibilità fl-Internet Explorer). Barra minn hekk, biex niżguraw appoġġ kontinwu, dan is-sit mhux se jinkludi stili jew JavaScript.
Il-moviment tal-organi u t-tessuti jista' jwassal għal żbalji fil-pożizzjonament tar-raġġi-X waqt ir-radjuterapija. Għalhekk, huma meħtieġa materjali bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi ekwivalenti għat-tessut biex jimitaw il-moviment tal-organi għall-ottimizzazzjoni tar-radjuterapija. Madankollu, l-iżvilupp ta' materjali bħal dawn jibqa' sfida. L-idroġels tal-alġinat għandhom proprjetajiet simili għal dawk tal-matriċi extraċellulari, li jagħmluhom promettenti bħala materjali ekwivalenti għat-tessut. F'dan l-istudju, fowms tal-idroġel tal-alġinat bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi mixtieqa ġew sintetizzati permezz ta' rilaxx in situ ta' Ca2+. Il-proporzjon tal-arja għall-volum ġie kkontrollat ​​bir-reqqa biex jinkisbu fowms tal-idroġel bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi definiti. Il-makro- u l-mikromorfoloġija tal-materjali ġew ikkaratterizzati, u l-imġiba tal-fowms tal-idroġel taħt kompressjoni ġiet studjata. Il-proprjetajiet radjoloġiċi ġew stmati teoretikament u vverifikati sperimentalment bl-użu tat-tomografija kompjuterizzata. Dan l-istudju jitfa' dawl fuq l-iżvilupp futur ta' materjali ekwivalenti għat-tessut li jistgħu jintużaw għall-ottimizzazzjoni tad-doża tar-radjazzjoni u l-kontroll tal-kwalità waqt ir-radjuterapija.
Ir-radjuterapija hija trattament komuni għall-kanċer1. Il-moviment tal-organi u t-tessuti spiss iwassal għal żbalji fil-pożizzjonament tar-raġġi-X waqt ir-radjuterapija2, li jistgħu jirriżultaw f'nuqqas ta' trattament tat-tumur u espożizzjoni żejda taċ-ċelloli b'saħħithom tal-madwar għal radjazzjoni bla bżonn. Il-kapaċità li wieħed ibassar il-moviment tal-organi u t-tessuti hija kritika biex jiġu minimizzati l-iżbalji fil-lokalizzazzjoni tat-tumur. Dan l-istudju ffoka fuq il-pulmuni, peress li jgħaddu minn deformazzjonijiet u movimenti sinifikanti meta l-pazjenti jieħdu n-nifs waqt ir-radjuterapija. Ġew żviluppati u applikati diversi mudelli ta' elementi finiti biex jissimulaw il-moviment tal-pulmuni umani3,4,5. Madankollu, l-organi u t-tessuti umani għandhom ġeometriji kumplessi u jiddependu ħafna fuq il-pazjent. Għalhekk, materjali bi proprjetajiet ekwivalenti għat-tessuti huma utli ħafna għall-iżvilupp ta' mudelli fiżiċi biex jivvalidaw mudelli teoretiċi, jiffaċilitaw trattament mediku mtejjeb, u għal skopijiet ta' edukazzjoni medika.
L-iżvilupp ta’ materjali li jimitaw tessut artab biex jinkisbu ġeometriji strutturali esterni u interni kumplessi ġibed ħafna attenzjoni minħabba li l-inkonsistenzi mekkaniċi inerenti tagħhom jistgħu jwasslu għal fallimenti f’applikazzjonijiet fil-mira6,7. L-immudellar tal-bijomekkanika kumplessa tat-tessut tal-pulmun, li jikkombina irtubija estrema, elastiċità, u porożità strutturali, joħloq sfida sinifikanti fl-iżvilupp ta’ mudelli li jirriproduċu b’mod preċiż il-pulmun uman. L-integrazzjoni u t-tqabbil tal-proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi huma kritiċi għall-prestazzjoni effettiva tal-mudelli tal-pulmun f’interventi terapewtiċi. Il-manifattura addittiva wriet li hija effettiva fl-iżvilupp ta’ mudelli speċifiċi għall-pazjent, li tippermetti prototipar rapidu ta’ disinji kumplessi. Shin et al. 8 żviluppaw mudell tal-pulmun riproduċibbli u deformabbli b’passaġġi tan-nifs stampati bi 3D. Haselaar et al. 9 żviluppaw fantom simili ħafna għal pazjenti reali għall-valutazzjoni tal-kwalità tal-immaġni u metodi ta’ verifika tal-pożizzjoni għar-radjuterapija. Hong et al10 żviluppaw mudell tas-CT tas-sider bl-użu tal-istampar 3D u t-teknoloġija tal-ikkastjar tas-silikon biex jirriproduċu l-intensità tas-CT ta’ diversi leżjonijiet fil-pulmun biex jevalwaw l-eżattezza tal-kwantifikazzjoni. Madankollu, dawn il-prototipi spiss ikunu magħmula minn materjali li l-proprjetajiet effettivi tagħhom huma differenti ħafna minn dawk tat-tessut tal-pulmun11.
Bħalissa, il-biċċa l-kbira tal-fantommi tal-pulmun huma magħmula minn silikon jew fowm tal-poliuretan, li ma jaqblux mal-proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi tal-parenkima tal-pulmun reali.12,13 L-idroġels tal-alġinat huma bijokompatibbli u ntużaw ħafna fl-inġinerija tat-tessuti minħabba l-proprjetajiet mekkaniċi aġġustabbli tagħhom.14 Madankollu, ir-riproduzzjoni tal-konsistenza ultra-ratba, simili għar-ragħwa, meħtieġa għal fantomm tal-pulmun li jimita b'mod preċiż l-elastiċità u l-istruttura tal-mili tat-tessut tal-pulmun tibqa' sfida sperimentali.
F'dan l-istudju, ġie preżunt li t-tessut tal-pulmun huwa materjal elastiku omoġenju. Id-densità tat-tessut tal-pulmun uman (\(\:\rho\:\)) hija rrappurtata li hija 1.06 g/cm3, u d-densità tal-pulmun minfuħ hija 0.26 g/cm315. Firxa wiesgħa ta' valuri tal-modulu ta' Young (MY) tat-tessut tal-pulmun inkisbet bl-użu ta' metodi sperimentali differenti. Lai-Fook et al. 16 kejlu l-YM tal-pulmun uman b'inflazzjoni uniformi għal 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 użaw elastografija bir-reżonanza manjetika u rrappurtaw YM ta' 2.17 kPa. Liu et al. 18 irrappurtaw YM imkejjel direttament ta' 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi et al. 19 stmaw l-YM għal 0.1–2.7 kPa bbażat fuq dejta 4D CT miksuba minn pazjenti magħżula.
Għall-proprjetajiet radjoloġiċi tal-pulmun, diversi parametri jintużaw biex jiddeskrivu l-imġiba ta' interazzjoni tat-tessut tal-pulmun mar-raġġi-X, inkluż il-kompożizzjoni elementali, id-densità tal-elettroni (\(\:{\rho\:}_{e}\)), in-numru atomiku effettiv (\(\:{Z}_{eff}\)), l-enerġija medja ta' eċċitazzjoni (\(\:I\)), il-koeffiċjent ta' attenwazzjoni tal-massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) u l-unità Hounsfield (HU), li hija direttament relatata ma' \(\:\mu\:/\rho\:\).
Id-densità tal-elettroni \(\:{\rho\:}_{e}\) hija definita bħala n-numru ta' elettroni għal kull unità ta' volum u hija kkalkulata kif ġej:
fejn \(\:\rho\:\) hija d-densità tal-materjal f'g/cm3, \(\:{N}_{A}\) hija l-kostanti ta' Avogadro, \(\:{w}_{i}\) hija l-frazzjoni tal-massa, \(\:{Z}_{i}\) huwa n-numru atomiku, u \(\:{A}_{i}\) huwa l-piż atomiku tal-element i.
In-numru atomiku huwa direttament relatat man-natura tal-interazzjoni tar-radjazzjoni fil-materjal. Għal komposti u taħlitiet li fihom diversi elementi (eż., drappijiet), in-numru atomiku effettiv \(\:{Z}_{eff}\) irid jiġi kkalkulat. Il-formula ġiet proposta minn Murthy et al. 20:
L-enerġija medja ta' eċċitazzjoni \(\:I\) tiddeskrivi kemm faċilment il-materjal fil-mira jassorbi l-enerġija kinetika tal-partiċelli li jippenetraw. Tiddeskrivi biss il-proprjetajiet tal-materjal fil-mira u m'għandha x'taqsam xejn mal-proprjetajiet tal-partiċelli. \(\:I\) tista' tiġi kkalkulata billi tiġi applikata r-regola tal-additività ta' Bragg:
Il-koeffiċjent tal-attenwazzjoni tal-massa \(\:\mu\:/\rho\:\) jiddeskrivi l-penetrazzjoni u r-rilaxx tal-enerġija tal-fotoni fil-materjal fil-mira. Jista' jiġi kkalkulat bl-użu tal-formula li ġejja:
Fejn \(\:x\) hija l-ħxuna tal-materjal, \(\:{I}_{0}\) hija l-intensità tad-dawl inċidentali, u \(\:I\) hija l-intensità tal-foton wara l-penetrazzjoni fil-materjal. Id-dejta \(\:\mu\:/\rho\:\) tista' tinkiseb direttament mid-Database ta' Referenza tal-Istandards NIST 12621. Il-valuri \(\:\mu\:/\rho\:\) għal taħlitiet u komposti jistgħu jiġu derivati ​​bl-użu tar-regola tal-additività kif ġej:
HU hija unità ta' kejl standardizzata u mingħajr dimensjonijiet tar-radjudensità fl-interpretazzjoni tad-dejta tat-tomografija kompjuterizzata (CT), li hija trasformata linearment mill-koeffiċjent ta' attenwazzjoni mkejjel \(\:\mu\:\). Hija definita bħala:
Fejn \(\:{\mu\:}_{ilma}\) huwa l-koeffiċjent tal-attenwazzjoni tal-ilma, u \(\:{\mu\:}_{arja}\) huwa l-koeffiċjent tal-attenwazzjoni tal-arja. Għalhekk, mill-formula (6) naraw li l-valur HU tal-ilma huwa 0, u l-valur HU tal-arja huwa -1000. Il-valur HU għall-pulmuni umani jvarja minn -600 sa -70022.
Ġew żviluppati diversi materjali ekwivalenti għat-tessut. Griffith et al. 23 żviluppaw mudell ekwivalenti għat-tessut tat-torso uman magħmul minn polyurethane (PU) li miegħu żdiedu diversi konċentrazzjonijiet ta' karbonat tal-kalċju (CaCO3) biex jissimulaw il-koeffiċjenti ta' attenwazzjoni lineari ta' diversi organi umani inkluż il-pulmun uman, u l-mudell ingħata l-isem Griffith. Taylor24 ippreżenta t-tieni mudell ekwivalenti għat-tessut tal-pulmun żviluppat mil-Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), bl-isem LLLL1. Traub et al.25 żviluppaw sostitut ġdid għat-tessut tal-pulmun bl-użu ta' Foamex XRS-272 li fih 5.25% CaCO3 bħala sustanza li ttejjeb il-prestazzjoni, li ngħata l-isem ALT2. It-Tabelli 1 u 2 juru paragun ta' \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) u l-koeffiċjenti ta' attenwazzjoni tal-massa għall-pulmun uman (ICRU-44) u l-mudelli ekwivalenti għat-tessut ta' hawn fuq.
Minkejja l-proprjetajiet radjoloġiċi eċċellenti miksuba, kważi l-materjali fantomatiċi kollha huma magħmula minn fowm tal-polistirene, li jfisser li l-proprjetajiet mekkaniċi ta’ dawn il-materjali ma jistgħux joqorbu lejn dawk tal-pulmuni umani. Il-modulu ta’ Young (YM) tal-fowm tal-poliuretan huwa ta’ madwar 500 kPa, li huwa ’l bogħod mill-ideali meta mqabbel mal-pulmuni umani normali (madwar 5-10 kPa). Għalhekk, huwa meħtieġ li jiġi żviluppat materjal ġdid li jista’ jissodisfa l-karatteristiċi mekkaniċi u radjoloġiċi tal-pulmuni umani reali.
L-idroġels jintużaw ħafna fl-inġinerija tat-tessuti. L-istruttura u l-proprjetajiet tagħhom huma simili għall-matriċi extraċellulari (ECM) u huma faċilment aġġustabbli. F'dan l-istudju, l-alġinat tas-sodju pur intgħażel bħala l-bijomaterjal għall-preparazzjoni tar-ragħwa. L-idroġels tal-alġinat huma bijokompatibbli u jintużaw ħafna fl-inġinerija tat-tessuti minħabba l-proprjetajiet mekkaniċi aġġustabbli tagħhom. Il-kompożizzjoni elementali tal-alġinat tas-sodju (C6H7NaO6)n u l-preżenza ta' Ca2+ jippermettu li l-proprjetajiet radjoloġiċi tiegħu jiġu aġġustati kif meħtieġ. Din il-kombinazzjoni ta' proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi aġġustabbli tagħmel l-idroġels tal-alġinat ideali għall-istudju tagħna. Naturalment, l-idroġels tal-alġinat għandhom ukoll limitazzjonijiet, speċjalment f'termini ta' stabbiltà fit-tul waqt ċikli respiratorji simulati. Għalhekk, huma meħtieġa u mistennija aktar titjib fi studji futuri biex jiġu indirizzati dawn il-limitazzjonijiet.
F'dan ix-xogħol, żviluppajna materjal tal-fowm tal-alġinat idroġel b'valuri rho kontrollabbli, elastiċità, u proprjetajiet radjoloġiċi simili għal dawk tat-tessut tal-pulmun uman. Dan l-istudju se jipprovdi soluzzjoni ġenerali għall-fabbrikazzjoni ta' fantomi simili għal tessut bi proprjetajiet elastiċi u radjoloġiċi aġġustabbli. Il-proprjetajiet tal-materjal jistgħu jiġu adattati faċilment għal kwalunkwe tessut u organu uman.
Il-proporzjon fil-mira tal-arja għall-volum tal-fowm tal-idroġel ġie kkalkulat abbażi tal-medda HU tal-pulmuni umani (-600 sa -700). Ġie preżunt li l-fowm kien taħlita sempliċi ta' arja u idroġel tal-alġinat sintetiku. Bl-użu ta' regola sempliċi ta' żieda ta' elementi individwali \(\:\mu\:/\rho\:\), il-frazzjoni tal-volum tal-arja u l-proporzjon tal-volum tal-idroġel tal-alġinat sintetizzat setgħu jiġu kkalkulati.
Fowms tal-idroġell tal-alġinat ġew ippreparati bl-użu tal-alġinat tas-sodju (Numru tal-Parti W201502), CaCO3 (Numru tal-Parti 795445, MW: 100.09), u GDL (Numru tal-Parti G4750, MW: 178.14) mixtrija minn Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) inxtara minn Renowned Trading LLC. Ilma dejonizzat intuża fil-proċess ta' preparazzjoni tal-fowm. L-alġinat tas-sodju ġie maħlul f'ilma dejonizzat f'temperatura tal-kamra b'taħwid kostanti (600 rpm) sakemm inkisbet soluzzjoni trasluċida safra omoġenja. CaCO3 flimkien ma' GDL intuża bħala sors ta' Ca2+ biex tinbeda l-ġelazzjoni. SLES 70 intuża bħala surfactant biex jifforma struttura poruża ġewwa l-idroġell. Il-konċentrazzjoni tal-alġinat inżammet f'5% u l-proporzjon molari Ca2+:-COOH inżamm f'0.18. Il-proporzjon molari CaCO3:GDL inżamm ukoll f'0.5 waqt il-preparazzjoni tar-ragħwa biex jinżamm pH newtrali. Il-valur huwa 26. 2% bil-volum ta' SLES 70 ġie miżjud mal-kampjuni kollha. Beaker b'għatu ntuża biex jikkontrolla l-proporzjon tat-taħlit tas-soluzzjoni u l-arja. Il-volum totali tal-beaker kien ta' 140 ml. Abbażi tar-riżultati tal-kalkolu teoretiku, volumi differenti tat-taħlita (50 ml, 100 ml, 110 ml) ġew miżjuda mal-beaker biex jitħalltu mal-arja. Il-kampjun li fih 50 ml tat-taħlita kien iddisinjat biex jitħallat ma' biżżejjed arja, filwaqt li l-proporzjon tal-volum tal-arja fiż-żewġ kampjuni l-oħra ġie kkontrollat. L-ewwel, SLES 70 ġie miżjud mas-soluzzjoni tal-alġinat u mħawwad b'ħawwad elettriku sakemm tħallat kompletament. Imbagħad, is-sospensjoni ta' CaCO3 ġiet miżjuda mat-taħlita u mħawwda kontinwament sakemm it-taħlita tħalltet kompletament, meta l-kulur tagħha nbidel għal abjad. Fl-aħħar, is-soluzzjoni GDL ġiet miżjuda mat-taħlita biex tibda l-ġelazzjoni, u t-taħwid mekkaniku nżamm matul il-proċess. Għall-kampjun li fih 50 ml tat-taħlita, it-taħwid mekkaniku twaqqaf meta l-volum tat-taħlita waqaf jinbidel. Għall-kampjuni li fihom 100 ml u 110 ml tat-taħlita, it-taħwid mekkaniku twaqqaf meta t-taħlita mliet il-beaker. Ippruvajna wkoll nippreparaw fowms tal-idroġel b'volum bejn 50 ml u 100 ml. Madankollu, ġiet osservata instabbiltà strutturali tal-fowm, peress li varjat bejn l-istat ta' taħlit sħiħ tal-arja u l-istat ta' kontroll tal-volum tal-arja, li rriżultat f'kontroll tal-volum inkonsistenti. Din l-instabbiltà introduċiet inċertezza fil-kalkoli, u għalhekk din il-medda ta' volum ma ġietx inkluża f'dan l-istudju.
Id-densità \(\:\rho\:\) ta' fowm tal-idroġel hija kkalkulata billi jitkejlu l-massa \(\:m\) u l-volum \(\:V\) ta' kampjun ta' fowm tal-idroġel.
Immaġnijiet mikroskopiċi ottiċi ta' fowms tal-idroġel inkisbu bl-użu ta' kamera Zeiss Axio Observer A1. Is-softwer ImageJ intuża biex jikkalkula n-numru u d-distribuzzjoni tad-daqs tal-pori f'kampjun f'ċerta żona abbażi tal-immaġnijiet miksuba. Il-forma tal-pori hija preżunta li hija ċirkolari.
Biex jiġu studjati l-proprjetajiet mekkaniċi tal-fowms tal-idroġel tal-alġinat, twettqu testijiet ta' kompressjoni unjassjali bl-użu ta' magna TESTRESOURCES serje 100. Il-kampjuni nqatgħu fi blokki rettangolari u d-dimensjonijiet tal-blokka tkejlu biex jiġu kkalkulati l-istress u t-tiġbid. Il-veloċità tar-ras trasversali ġiet issettjata għal 10 mm/min. Tliet kampjuni ġew ittestjati għal kull kampjun u l-medja u d-devjazzjoni standard ġew ikkalkulati mir-riżultati. Dan l-istudju ffoka fuq il-proprjetajiet mekkaniċi kompressivi tal-fowms tal-idroġel tal-alġinat peress li t-tessut tal-pulmun huwa soġġett għal forzi kompressivi f'ċertu stadju taċ-ċiklu respiratorju. L-estensibilità hija naturalment kruċjali, speċjalment biex tirrifletti l-imġiba dinamika sħiħa tat-tessut tal-pulmun u dan se jiġi investigat fi studji futuri.
Il-kampjuni ppreparati tal-fowm tal-idroġel ġew skennjati fuq skaner CT b'żewġ kanali Siemens SOMATOM Drive. Il-parametri tal-iskennjar ġew issettjati kif ġej: 40 mAs, 120 kVp u ħxuna tal-porzjon ta' 1 mm. Il-fajls DICOM li rriżultaw ġew analizzati bl-użu tas-softwer MicroDicom DICOM Viewer biex jiġu analizzati l-valuri HU ta' 5 sezzjonijiet trasversali ta' kull kampjun. Il-valuri HU miksuba mis-CT ġew imqabbla ma' kalkoli teoretiċi bbażati fuq id-dejta tad-densità tal-kampjuni.
L-għan ta’ dan l-istudju huwa li jirrivoluzzjona l-fabbrikazzjoni ta’ mudelli ta’ organi individwali u tessuti bijoloġiċi artifiċjali billi jinġinerizza materjali rotob. L-iżvilupp ta’ materjali bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi li jaqblu mal-mekkaniżmi tax-xogħol tal-pulmuni umani huwa importanti għal applikazzjonijiet immirati bħat-titjib tat-taħriġ mediku, l-ippjanar kirurġiku, u l-ippjanar tat-terapija bir-radjazzjoni. Fil-Figura 1A, ipplottjajna d-diskrepanza bejn il-proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi ta’ materjali rotob li suppost jintużaw biex jiġu fabbrikati mudelli tal-pulmun uman. Sal-lum, ġew żviluppati materjali li juru l-proprjetajiet radjoloġiċi mixtieqa, iżda l-proprjetajiet mekkaniċi tagħhom ma jissodisfawx ir-rekwiżiti mixtieqa. Ir-ragħwa u l-gomma tal-poliuretan huma l-materjali l-aktar użati għall-fabbrikazzjoni ta’ mudelli deformabbli tal-pulmun uman. Il-proprjetajiet mekkaniċi tar-ragħwa tal-poliuretan (modulu ta’ Young, YM) huma tipikament 10 sa 100 darba akbar minn dawk tat-tessut normali tal-pulmun uman. Materjali li juru kemm il-proprjetajiet mekkaniċi kif ukoll radjoloġiċi mixtieqa għadhom mhumiex magħrufa.
(A) Rappreżentazzjoni skematika tal-proprjetajiet ta' diversi materjali rotob u paragun mal-pulmun uman f'termini ta' densità, modulu ta' Young u proprjetajiet radjoloġiċi (f'HU). (B) Mudell ta' diffrazzjoni tar-raġġi-X ta' \(\:\mu\:/\rho\:\) alġinat idroġel b'konċentrazzjoni ta' 5% u proporzjon molari Ca2+:-COOH ta' 0.18. (Ċ) Firxa ta' proporzjonijiet tal-volum tal-arja f'fowms tal-idroġel. (D) Rappreżentazzjoni skematika ta' fowms tal-idroġel tal-alġinat b'proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja.
Il-kompożizzjoni elementali tal-idroġellijiet tal-alġinat b'konċentrazzjoni ta' 5% u proporzjon molari Ca2+:-COOH ta' 0.18 ġiet ikkalkulata, u r-riżultati huma murija fit-Tabella 3. Skont ir-regola taż-żieda fil-formula preċedenti (5), il-koeffiċjent tal-attenwazzjoni tal-massa tal-idroġell tal-alġinat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) jinkiseb kif muri fil-Figura 1B.
Il-valuri \(\:\mu\:/\rho\:\) għall-arja u l-ilma nkisbu direttament mid-database ta' referenza tal-istandards NIST 12612. Għalhekk, il-Figura 1C turi l-proporzjonijiet tal-volum tal-arja kkalkulati fil-fowm tal-idroġel b'valuri ekwivalenti HU bejn -600 u -700 għall-pulmun uman. Il-proporzjon tal-volum tal-arja kkalkulat teoretikament huwa stabbli fi ħdan 60–70% fil-medda tal-enerġija minn 1 × 10−3 sa 2 × 101 MeV, li jindika potenzjal tajjeb għall-applikazzjoni tal-fowm tal-idroġel fi proċessi ta' manifattura downstream.
Il-Figura 1D turi l-kampjun ippreparat tal-fowm tal-idroġel tal-alġinat. Il-kampjuni kollha nqatgħu f'kubi b'tul tat-tarf ta' 12.7 mm. Ir-riżultati wrew li ffurmaw fowm tal-idroġel omoġenju u tridimensjonali stabbli. Irrispettivament mill-proporzjon tal-volum tal-arja, ma ġew osservati l-ebda differenzi sinifikanti fid-dehra tal-fowms tal-idroġel. In-natura awtosuffiċjenti tal-fowm tal-idroġel tissuġġerixxi li n-netwerk iffurmat fi ħdan l-idroġel huwa b'saħħtu biżżejjed biex isostni l-piż tal-fowm innifsu. Minbarra ammont żgħir ta' tnixxija ta' ilma mill-fowm, il-fowm wera wkoll stabbiltà temporanja għal diversi ġimgħat.
Billi tkejlu l-massa u l-volum tal-kampjun tar-ragħwa, ġiet ikkalkulata d-densità tar-ragħwa tal-idroġel ippreparata \(\:\rho\:\), u r-riżultati huma murija fit-Tabella 4. Ir-riżultati juru d-dipendenza ta' \(\:\rho\:\) fuq il-proporzjon tal-volum tal-arja. Meta biżżejjed arja titħallat ma' 50 ml tal-kampjun, id-densità ssir l-aktar baxxa u hija 0.482 g/cm3. Hekk kif l-ammont ta' arja mħallta jonqos, id-densità tiżdied għal 0.685 g/cm3. Il-valur massimu ta' p bejn il-gruppi ta' 50 ml, 100 ml u 110 ml kien 0.004 < 0.05, li jindika s-sinifikat statistiku tar-riżultati.
Il-valur teoretiku \(\:\rho\:\) huwa kkalkulat ukoll bl-użu tal-proporzjon tal-volum tal-arja kkontrollata. Ir-riżultati mkejla juru li \(\:\rho\:\) huwa 0.1 g/cm³ iżgħar mill-valur teoretiku. Din id-differenza tista' tiġi spjegata mill-istress intern iġġenerat fl-idroġel matul il-proċess tal-ġelazzjoni, li jikkawża nefħa u b'hekk iwassal għal tnaqqis f'\(\:\rho\:\). Dan ġie kkonfermat aktar bl-osservazzjoni ta' xi lakuni ġewwa r-ragħwa tal-idroġel fl-immaġini CT murija fil-Figura 2 (A, B u C).
Immaġnijiet ta' mikroskopija ottika ta' fowms tal-idroġel b'kontenut ta' volum ta' arja differenti (A) 50, (B) 100, u (C) 110. Numri ta' ċelluli u distribuzzjoni tad-daqs tal-pori f'kampjuni ta' fowm tal-idroġel tal-alġinat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figura 3 (A, B, C) turi l-immaġini tal-mikroskopju ottiku tal-kampjuni tal-fowm tal-idroġel b'proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja. Ir-riżultati juru l-istruttura ottika tal-fowm tal-idroġel, u juru b'mod ċar l-immaġini tal-pori b'dijametri differenti. Id-distribuzzjoni tan-numru tal-pori u d-dijametru ġiet ikkalkulata bl-użu ta' ImageJ. Ittieħdu sitt immaġini għal kull kampjun, kull immaġni kellha daqs ta' 1125.27 μm × 843.96 μm, u ż-żona totali analizzata għal kull kampjun kienet ta' 5.7 mm².
(A) Imġieba kompressiva tal-istress-deformazzjoni ta' fowms tal-idroġel tal-alġinat bi proporzjonijiet differenti ta' volum tal-arja. (B) Twaħħil esponenzjali. (Ċ) Kompressjoni E0 ta' fowms tal-idroġel bi proporzjonijiet differenti ta' volum tal-arja. (D) Stress u deformazzjoni kompressiva aħħarija ta' fowms tal-idroġel tal-alġinat bi proporzjonijiet differenti ta' volum tal-arja.
Il-Figura 3 (D, E, F) turi li d-distribuzzjoni tad-daqs tal-pori hija relattivament uniformi, u tvarja minn għexieren ta' mikrometri sa madwar 500 mikrometru. Id-daqs tal-pori huwa bażikament uniformi, u jonqos xi ftit hekk kif jonqos il-volum tal-arja. Skont id-dejta tat-test, id-daqs medju tal-pori tal-kampjun ta' 50 ml huwa 192.16 μm, il-medjan huwa 184.51 μm, u n-numru ta' pori għal kull unità ta' erja huwa 103; id-daqs medju tal-pori tal-kampjun ta' 100 ml huwa 156.62 μm, il-medjan huwa 151.07 μm, u n-numru ta' pori għal kull unità ta' erja huwa 109; il-valuri korrispondenti tal-kampjun ta' 110 ml huma 163.07 μm, 150.29 μm u 115, rispettivament. Id-dejta turi li l-pori akbar għandhom influwenza akbar fuq ir-riżultati statistiċi tad-daqs medju tal-pori, u d-daqs medjan tal-pori jista' jirrifletti aħjar ix-xejra tal-bidla fid-daqs tal-pori. Hekk kif il-volum tal-kampjun jiżdied minn 50 ml għal 110 ml, l-għadd ta' pori jiżdied ukoll. Meta ngħaqqdu r-riżultati statistiċi tad-dijametru medjan tal-pori u l-għadd ta' pori, jista' jiġi konkluż li biż-żieda fil-volum, aktar pori ta' daqs iżgħar jiġu ffurmati ġewwa l-kampjun.
Id-dejta tat-test mekkaniku hija murija fil-Figuri 4A u 4D. Il-Figura 4A turi l-imġiba kompressiva tal-istress-deformazzjoni tal-fowms tal-idroġel ippreparati b'proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja. Ir-riżultati juru li l-kampjuni kollha għandhom imġiba kompressiva mhux lineari tal-istress-deformazzjoni. Għal kull kampjun, l-istress jiżdied aktar malajr biż-żieda tal-idroġel. Kurva esponenzjali ġiet imwaħħla mal-imġiba kompressiva tal-istress-deformazzjoni tal-fowm tal-idroġel. Il-Figura 4B turi r-riżultati wara li tiġi applikata l-funzjoni esponenzjali bħala mudell ta' approssimazzjoni għall-fowm tal-idroġel.
Għall-fowms tal-idroġell b'proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja, ġie studjat ukoll il-modulu kompressiv tagħhom (E0). Simili għall-analiżi tal-idroġells, il-modulu kompressiv ta' Young ġie investigat fil-medda ta' 20% tensjoni inizjali. Ir-riżultati tat-testijiet tal-kompressjoni huma murija fil-Figura 4C. Ir-riżultati fil-Figura 4C juru li hekk kif il-proporzjon tal-volum tal-arja jonqos mill-kampjun 50 għall-kampjun 110, il-modulu kompressiv ta' Young E0 tal-fowm tal-idroġell tal-alġinat jiżdied minn 10.86 kPa għal 18 kPa.
Bl-istess mod, inkisbu l-kurvi kompluti tal-istress-deformazzjoni tal-fowms tal-idroġel, kif ukoll il-valuri aħħarija tal-istress kompressiv u tat-tensjoni. Il-Figura 4D turi l-istress kompressiv u t-tensjoni aħħarija tal-fowms tal-idroġel tal-alġinat. Kull punt tad-dejta huwa l-medja ta' tliet riżultati tat-test. Ir-riżultati juru li l-istress kompressiv aħħari jiżdied minn 9.84 kPa għal 17.58 kPa bit-tnaqqis tal-kontenut tal-gass. It-tensjoni aħħarija tibqa' stabbli għal madwar 38%.
Figura 2 (A, B, u C) turi l-immaġini CT ta' fowms tal-idroġel b'proporzjonijiet differenti ta' volum ta' arja li jikkorrispondu għall-kampjuni 50, 100, u 110, rispettivament. L-immaġini juru li l-fowm tal-idroġel iffurmat huwa kważi omoġenju. Numru żgħir ta' lakuni ġew osservati fil-kampjuni 100 u 110. Il-formazzjoni ta' dawn il-lakuni tista' tkun dovuta għall-istress intern iġġenerat fl-idroġel matul il-proċess ta' ġelazzjoni. Ikkalkulajna l-valuri HU għal 5 sezzjonijiet trasversali ta' kull kampjun u elenkajniehom fit-Tabella 5 flimkien mar-riżultati tal-kalkolu teoretiku korrispondenti.
It-Tabella 5 turi li l-kampjuni b'proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja kisbu valuri HU differenti. Il-valur massimu p bejn il-gruppi ta' 50 ml, 100 ml u 110 ml kien 0.004 < 0.05, li jindika s-sinifikat statistiku tar-riżultati. Fost it-tliet kampjuni ttestjati, il-kampjun bit-taħlita ta' 50 ml kellu l-proprjetajiet radjoloġiċi l-eqreb ta' dawk tal-pulmuni umani. L-aħħar kolonna tat-Tabella 5 hija r-riżultat miksub permezz ta' kalkolu teoretiku bbażat fuq il-valur imkejjel tar-ragħwa \(\:\rho\:\). Billi titqabbel id-dejta mkejla mar-riżultati teoretiċi, jista' jinstab li l-valuri HU miksuba permezz ta' skannjar CT huma ġeneralment qrib ir-riżultati teoretiċi, li min-naħa tagħhom jikkonfermaw ir-riżultati tal-kalkolu tal-proporzjon tal-volum tal-arja fil-Figura 1C.
L-għan ewlieni ta’ dan l-istudju huwa li jinħoloq materjal bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi komparabbli ma’ dawk tal-pulmuni umani. Dan l-għan intlaħaq billi ġie żviluppat materjal ibbażat fuq l-idroġel bi proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi ekwivalenti għat-tessut imfassla apposta li huma kemm jista’ jkun qrib dawk tal-pulmuni umani. Iggwidati minn kalkoli teoretiċi, fowms tal-idroġel b’proporzjonijiet differenti tal-volum tal-arja ġew ippreparati billi tħalltu mekkanikament soluzzjoni tas-sodium alginate, CaCO3, GDL u SLES 70. Analiżi morfoloġika wriet li ffurmat fowm tal-idroġel omoġenju u tridimensjonali stabbli. Billi jinbidel il-proporzjon tal-volum tal-arja, id-densità u l-porożità tal-fowm jistgħu jiġu varjati kif tixtieq. Biż-żieda tal-kontenut tal-volum tal-arja, id-daqs tal-pori jonqos xi ftit u n-numru ta’ pori jiżdied. Saru testijiet ta’ kompressjoni biex jiġu analizzati l-proprjetajiet mekkaniċi tal-fowms tal-idroġel tal-alġinat. Ir-riżultati wrew li l-modulu kompressiv (E0) miksub mit-testijiet tal-kompressjoni huwa fil-medda ideali għall-pulmuni umani. E0 jiżdied hekk kif il-proporzjon tal-volum tal-arja jonqos. Il-valuri tal-proprjetajiet radjoloġiċi (HU) tal-kampjuni ppreparati nkisbu abbażi tad-dejta tas-CT tal-kampjuni u tqabblu mar-riżultati tal-kalkoli teoretiċi. Ir-riżultati kienu favorevoli. Il-valur imkejjel huwa wkoll qrib il-valur HU tal-pulmuni umani. Ir-riżultati juru li huwa possibbli li jinħolqu fowms tal-idroġel li jimitaw it-tessuti b'kombinazzjoni ideali ta' proprjetajiet mekkaniċi u radjoloġiċi li jimitaw il-proprjetajiet tal-pulmuni umani.
Minkejja r-riżultati promettenti, il-metodi ta' fabbrikazzjoni attwali jeħtieġ li jittejbu biex jiġi kkontrollat ​​aħjar il-proporzjon tal-volum tal-arja u l-porożità biex jaqblu mat-tbassir minn kalkoli teoretiċi u pulmuni umani reali kemm fuq skali globali kif ukoll lokali. L-istudju attwali huwa limitat ukoll għall-ittestjar tal-mekkaniżmi tal-kompressjoni, li jillimita l-applikazzjoni potenzjali tal-fantom għall-fażi tal-kompressjoni taċ-ċiklu respiratorju. Ir-riċerka futura tibbenefika mill-investigazzjoni tal-ittestjar tat-tensjoni kif ukoll l-istabbiltà mekkanika ġenerali tal-materjal biex jiġu vvalutati l-applikazzjonijiet potenzjali taħt kundizzjonijiet ta' tagħbija dinamika. Minkejja dawn il-limitazzjonijiet, l-istudju jimmarka l-ewwel tentattiv ta' suċċess biex jiġu kkombinati proprjetajiet radjoloġiċi u mekkaniċi f'materjal wieħed li jimita l-pulmun uman.
Is-settijiet tad-dejta ġġenerati u/jew analizzati matul l-istudju attwali huma disponibbli mingħand l-awtur korrispondenti fuq talba raġonevoli. Kemm l-esperimenti kif ukoll is-settijiet tad-dejta huma riproduċibbli.
Song, G., et al. Nanoteknoloġiji ġodda u materjali avvanzati għat-terapija bir-radjazzjoni kontra l-kanċer. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapport tat-Task Force tal-AAPM 76a dwar il-Ġestjoni tal-Mozzjoni Respiratorja fl-Onkoloġija tar-Radjazzjoni. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., u Brock, KK Immudellar tal-interfaċċja u n-nonlinearitajiet tal-materjal fil-pulmun uman. Fiżika u Mediċina u Bijoloġija 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Mudell ta' kanċer tal-pulmun simili għal tumur iġġenerat permezz ta' bijo-istampar 3D. 3. Bijoteknoloġija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Immudellar tad-deformazzjoni tal-pulmun: metodu li jikkombina tekniki ta' reġistrazzjoni ta' immaġni deformabbli u stima tal-modulu ta' Young li tvarja spazjalment. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. L-ebusija tat-tessut ħaj u l-implikazzjonijiet tagħha għall-inġinerija tat-tessuti. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).