Ďakujeme za návštevu stránky nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať najnovšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, táto stránka nebude obsahovať štýly ani JavaScript.
Pohyb orgánov a tkanív môže viesť k chybám v polohovaní röntgenových lúčov počas rádioterapie. Preto sú potrebné materiály s mechanickými a rádiologickými vlastnosťami ekvivalentnými tkanivám, ktoré napodobňujú pohyb orgánov a optimalizujú rádioterapiu. Vývoj takýchto materiálov však zostáva výzvou. Alginátové hydrogély majú vlastnosti podobné vlastnostiam extracelulárnej matrice, čo ich robí sľubnými ako tkanivovo ekvivalentné materiály. V tejto štúdii boli syntetizované alginátové hydrogélové peny s požadovanými mechanickými a rádiologickými vlastnosťami uvoľňovaním Ca2+ in situ. Pomer vzduchu k objemu bol starostlivo kontrolovaný, aby sa získali hydrogélové peny s definovanými mechanickými a rádiologickými vlastnosťami. Bola charakterizovaná makro- a mikromorfológia materiálov a bolo študované správanie hydrogélových pien pri kompresii. Rádiologické vlastnosti boli teoreticky odhadnuté a experimentálne overené pomocou počítačovej tomografie. Táto štúdia vrhá svetlo na budúci vývoj tkanivovo ekvivalentných materiálov, ktoré možno použiť na optimalizáciu dávky žiarenia a kontrolu kvality počas rádioterapie.
Rádioterapia je bežnou liečbou rakoviny1. Pohyb orgánov a tkanív často vedie k chybám v umiestnení röntgenových lúčov počas rádioterapie2, čo môže viesť k nedostatočnej liečbe nádoru a nadmernému vystaveniu okolitých zdravých buniek zbytočnému žiareniu. Schopnosť predpovedať pohyb orgánov a tkanív je kľúčová pre minimalizáciu chýb v lokalizácii nádoru. Táto štúdia sa zamerala na pľúca, pretože pri dýchaní pacientov počas rádioterapie dochádza k významným deformáciám a pohybom. Na simuláciu pohybu ľudských pľúc boli vyvinuté a použité rôzne modely konečných prvkov3,4,5. Ľudské orgány a tkanivá však majú zložitú geometriu a sú vysoko závislé od pacienta. Preto sú materiály s tkanivovo ekvivalentnými vlastnosťami veľmi užitočné pri vývoji fyzikálnych modelov na overenie teoretických modelov, uľahčenie zlepšenia lekárskej starostlivosti a na účely lekárskeho vzdelávania.
Vývoj materiálov napodobňujúcich mäkké tkanivá na dosiahnutie zložitých vonkajších a vnútorných štrukturálnych geometrií pritiahol veľkú pozornosť, pretože ich inherentné mechanické nekonzistentnosti môžu viesť k zlyhaniu v cieľových aplikáciách6,7. Modelovanie komplexnej biomechaniky pľúcneho tkaniva, ktoré kombinuje extrémnu mäkkosť, elasticitu a štrukturálnu pórovitosť, predstavuje významnú výzvu pri vývoji modelov, ktoré presne reprodukujú ľudské pľúca. Integrácia a zosúladenie mechanických a rádiologických vlastností sú kľúčové pre efektívny výkon modelov pľúc pri terapeutických zákrokoch. Aditívna výroba sa ukázala ako účinná pri vývoji modelov špecifických pre pacienta, čo umožňuje rýchle prototypovanie zložitých návrhov. Shin a kol.8 vyvinuli reprodukovateľný, deformovateľný model pľúc s dýchacími cestami vytlačenými na 3D tlači. Haselaar a kol.9 vyvinuli fantóm veľmi podobný skutočným pacientom na účely hodnotenia kvality obrazu a metód overovania polohy pri rádioterapii. Hong a kol.10 vyvinuli model hrudníka CT s použitím 3D tlače a technológie silikónového odlievania na reprodukciu intenzity CT rôznych pľúcnych lézií s cieľom vyhodnotiť presnosť kvantifikácie. Tieto prototypy sú však často vyrobené z materiálov, ktorých účinné vlastnosti sa veľmi líšia od vlastností pľúcneho tkaniva11.
V súčasnosti je väčšina pľúcnych fantomov vyrobená zo silikónu alebo polyuretánovej peny, ktoré nezodpovedajú mechanickým a rádiologickým vlastnostiam skutočného pľúcneho parenchýmu.12,13 Alginátové hydrogély sú biokompatibilné a vďaka svojim laditeľným mechanickým vlastnostiam sa široko používajú v tkanivovom inžinierstve.14 Reprodukcia ultramäkkej, penovitej konzistencie potrebnej pre pľúcny fantom, ktorý presne napodobňuje elasticitu a výplňovú štruktúru pľúcneho tkaniva, však zostáva experimentálnou výzvou.
V tejto štúdii sa predpokladalo, že pľúcne tkanivo je homogénny elastický materiál. Hustota ľudského pľúcneho tkaniva (\(\:\rho\:\)) sa uvádza na úrovni 1,06 g/cm3 a hustota nafúknutých pľúc je 0,26 g/cm315. Široký rozsah hodnôt Youngovho modulu (MY) pľúcneho tkaniva sa získal pomocou rôznych experimentálnych metód. Lai-Fook a kol.16 namerali YM ľudských pľúc s rovnomerným nafúknutím na 0,42 – 6,72 kPa. Goss a kol.17 použili magnetickú rezonančnú elastografiu a uviedli YM 2,17 kPa. Liu a kol.18 uviedli priamo nameraný YM 0,03 – 57,2 kPa. Ilegbusi a kol.19 odhadli YM na 0,1 – 2,7 kPa na základe 4D CT údajov získaných od vybraných pacientov.
Na opis interakčného správania pľúcneho tkaniva s röntgenovým žiarením sa používa niekoľko parametrov vrátane elementárneho zloženia, elektrónovej hustoty (\(\:{rho\:}_{e}\)), efektívneho atómového čísla (\(\:{Z}_{eff}\)), strednej excitačnej energie (\(\:I\)), koeficientu útlmu hmotnosti (\(\:\mu\:/\rho\:\)) a Hounsfieldovej jednotky (HU), ktorá priamo súvisí s \(\:\mu\:/\rho\:\).
Hustota elektrónov (\:{\rho\:}_{e}\) je definovaná ako počet elektrónov na jednotku objemu a vypočíta sa takto:
kde \(\:\rho\:\) je hustota materiálu v g/cm3, \(\:{N}_{A}\) je Avogadrova konštanta, \(\:{w}_{i}\) je hmotnostný zlomok, \(\:{Z}_{i}\) je atómové číslo a \(\:{A}_{i}\) je atómová hmotnosť i-tého prvku.
Atómové číslo priamo súvisí s povahou radiačnej interakcie v materiáli. Pre zlúčeniny a zmesi obsahujúce niekoľko prvkov (napr. tkaniny) sa musí vypočítať efektívne atómové číslo \(\:{Z}_{eff}\). Vzorec navrhli Murthy a kol. 20:
Priemerná excitačná energia \(\:I\) opisuje, ako ľahko cieľový materiál absorbuje kinetickú energiu prenikajúcich častíc. Opisuje iba vlastnosti cieľového materiálu a nemá nič spoločné s vlastnosťami častíc. \(\:I\) sa dá vypočítať použitím Braggovej aditivity:
Koeficient útlmu hmotnosti (μ/rho) opisuje prenikanie a uvoľňovanie energie fotónov v cieľovom materiáli. Možno ho vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
Kde \(\:x\) je hrúbka materiálu, \(\:{I}_{0}\) je intenzita dopadajúceho svetla a \(\:I\) je intenzita fotónov po preniknutí do materiálu. Údaje \(\:\mu\:/\rho\:\) je možné získať priamo z referenčnej databázy noriem NIST 12621. Hodnoty \(\:\mu\:/\rho\:\) pre zmesi a zlúčeniny je možné odvodiť pomocou pravidla aditivity takto:
HU je štandardizovaná bezrozmerná jednotka merania rádiodenzity pri interpretácii údajov z počítačovej tomografie (CT), ktorá sa lineárne transformuje z nameraného koeficientu útlmu \(\:\mu\:\). Je definovaná ako:
kde \(\:{\mu\:}_{voda}\) je koeficient útlmu vody a \(\:{\mu\:}_{vzduch}\) je koeficient útlmu vzduchu. Z vzorca (6) teda vidíme, že hodnota HU vody je 0 a hodnota HU vzduchu je -1000. Hodnota HU pre ľudské pľúca sa pohybuje od -600 do -70022.
Bolo vyvinutých niekoľko materiálov ekvivalentných tkanivám. Griffith a kol.23 vyvinuli model ekvivalentu tkaniva ľudského trupu vyrobený z polyuretánu (PU), do ktorého boli pridané rôzne koncentrácie uhličitanu vápenatého (CaCO3) na simuláciu lineárnych koeficientov útlmu rôznych ľudských orgánov vrátane ľudských pľúc, a model bol pomenovaný Griffith. Taylor24 predstavil druhý model ekvivalentu pľúcneho tkaniva vyvinutý Národným laboratóriom Lawrencea Livermora (LLNL) s názvom LLLL1. Traub a kol.25 vyvinuli novú náhradu pľúcneho tkaniva s použitím Foamexu XRS-272 obsahujúceho 5,25 % CaCO3 ako zosilňovača výkonu, ktorý bol pomenovaný ALT2. Tabuľky 1 a 2 ukazujú porovnanie \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) a koeficientov útlmu hmotnosti pre ľudské pľúca (ICRU-44) a vyššie uvedené modely ekvivalentných tkanív.
Napriek dosiahnutým vynikajúcim rádiologickým vlastnostiam sú takmer všetky fantomové materiály vyrobené z polystyrénovej peny, čo znamená, že mechanické vlastnosti týchto materiálov sa nemôžu priblížiť vlastnostiam ľudských pľúc. Youngov modul (YM) polyuretánovej peny je približne 500 kPa, čo je v porovnaní s normálnymi ľudskými pľúcami (približne 5 – 10 kPa) ďaleko od ideálu. Preto je potrebné vyvinúť nový materiál, ktorý by spĺňal mechanické a rádiologické vlastnosti skutočných ľudských pľúc.
Hydrogély sa široko používajú v tkanivovom inžinierstve. Ich štruktúra a vlastnosti sú podobné extracelulárnej matrici (ECM) a dajú sa ľahko upravovať. V tejto štúdii bol ako biomateriál na prípravu pien zvolený čistý alginát sodný. Alginátové hydrogély sú biokompatibilné a vďaka svojim nastaviteľným mechanickým vlastnostiam sa široko používajú v tkanivovom inžinierstve. Elementárne zloženie alginátu sodného (C6H7NaO6)n a prítomnosť Ca2+ umožňujú úpravu jeho rádiologických vlastností podľa potreby. Táto kombinácia nastaviteľných mechanických a rádiologických vlastností robí z alginátových hydrogélov ideálne riešenie pre našu štúdiu. Samozrejme, alginátové hydrogély majú aj obmedzenia, najmä pokiaľ ide o dlhodobú stabilitu počas simulovaných respiračných cyklov. Preto sú potrebné ďalšie vylepšenia, ktoré sa očakávajú v budúcich štúdiách na riešenie týchto obmedzení.
V tejto práci sme vyvinuli penový materiál z alginátového hydrogélu s kontrolovateľnými hodnotami rho, elasticitou a rádiologickými vlastnosťami podobnými vlastnostiam ľudského pľúcneho tkaniva. Táto štúdia poskytne všeobecné riešenie pre výrobu tkanivových fantomov s laditeľnými elastickými a rádiologickými vlastnosťami. Vlastnosti materiálu sa dajú ľahko prispôsobiť akémukoľvek ľudskému tkanivu a orgánu.
Cieľový pomer vzduchu k objemu hydrogélovej peny bol vypočítaný na základe rozsahu HU ľudských pľúc (-600 až -700). Predpokladalo sa, že pena je jednoduchá zmes vzduchu a syntetického alginátového hydrogélu. Pomocou jednoduchého pravidla sčítania jednotlivých prvkov (\:\mu\:/\rho\:\) bolo možné vypočítať objemový podiel vzduchu a objemový pomer syntetizovaného alginátového hydrogélu.
Peny alginátového hydrogélu boli pripravené s použitím alginátu sodného (číslo dielu W201502), CaCO3 (číslo dielu 795445, MW: 100,09) a GDL (číslo dielu G4750, MW: 178,14) zakúpených od spoločnosti Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70 % laurylsulfát sodný (SLES 70) bol zakúpený od spoločnosti Renowned Trading LLC. V procese prípravy peny bola použitá deionizovaná voda. Alginát sodný bol rozpustený v deionizovanej vode pri izbovej teplote za stáleho miešania (600 ot./min.), kým sa nezískal homogénny žltý priesvitný roztok. CaCO3 v kombinácii s GDL bol použitý ako zdroj Ca2+ na iniciovanie gélácie. SLES 70 bol použitý ako povrchovo aktívna látka na vytvorenie pórovitej štruktúry vo vnútri hydrogélu. Koncentrácia alginátu bola udržiavaná na 5 % a molárny pomer Ca2+:-COOH bol udržiavaný na 0,18. Molárny pomer CaCO3:GDL sa počas prípravy peny udržiaval na hodnote 0,5, aby sa udržalo neutrálne pH. Hodnota je 26,2 % objemových SLES 70. Na reguláciu pomeru miešania roztoku a vzduchu sa použila kadička s viečkom. Celkový objem kadičky bol 140 ml. Na základe teoretických výsledkov výpočtu sa do kadičky pridali rôzne objemy zmesi (50 ml, 100 ml, 110 ml), aby sa zmiešala so vzduchom. Vzorka obsahujúca 50 ml zmesi bola navrhnutá tak, aby sa zmiešala s dostatočným množstvom vzduchu, zatiaľ čo pomer objemu vzduchu v ostatných dvoch vzorkách sa kontroloval. Najprv sa do roztoku alginátu pridal SLES 70 a miešal sa elektrickým miešadlom, kým sa úplne nepremiešal. Potom sa do zmesi pridala suspenzia CaCO3 a miešala sa nepretržite, kým sa zmes úplne nepremiešala a jej farba sa nezmenila na bielu. Nakoniec sa do zmesi pridal roztok GDL, aby sa iniciovala gélácia, a počas celého procesu sa udržiavalo mechanické miešanie. Pri vzorke obsahujúcej 50 ml zmesi sa mechanické miešanie zastavilo, keď sa objem zmesi prestal meniť. Pri vzorkách obsahujúcich 100 ml a 110 ml zmesi sa mechanické miešanie zastavilo, keď zmes naplnila kadičku. Pokúsili sme sa tiež pripraviť hydrogélové peny s objemom medzi 50 ml a 100 ml. Pozorovala sa však štrukturálna nestabilita peny, pretože kolísala medzi stavom úplného premiešania vzduchu a stavom regulácie objemu vzduchu, čo viedlo k nekonzistentnej regulácii objemu. Táto nestabilita vniesla do výpočtov neistotu, a preto tento rozsah objemov nebol zahrnutý do tejto štúdie.
Hustota (ρ) hydrogélovej peny sa vypočíta meraním hmotnosti (m) a objemu (V) vzorky hydrogélovej peny.
Optické mikroskopické snímky hydrogélových pien boli získané pomocou kamery Zeiss Axio Observer A1. Na výpočet počtu a rozloženia veľkostí pórov vo vzorke v určitej oblasti na základe získaných snímok bol použitý softvér ImageJ. Predpokladá sa, že tvar pórov je kruhový.
Na štúdium mechanických vlastností alginátových hydrogélových pien sa vykonali jednoosové kompresné testy s použitím stroja TESTRESOURCES série 100. Vzorky boli narezané na obdĺžnikové bloky a rozmery blokov sa merali na výpočet napätí a deformácií. Rýchlosť priečnej hlavy bola nastavená na 10 mm/min. Pre každú vzorku boli testované tri vzorky a z výsledkov sa vypočítala priemerná hodnota a štandardná odchýlka. Táto štúdia sa zamerala na kompresné mechanické vlastnosti alginátových hydrogélových pien, pretože pľúcne tkanivo je v určitej fáze dýchacieho cyklu vystavené kompresným silám. Rozťažnosť je samozrejme kľúčová, najmä na zohľadnenie plného dynamického správania pľúcneho tkaniva, a to sa bude skúmať v budúcich štúdiách.
Pripravené vzorky hydrogélovej peny boli skenované na dvojkanálovom CT skeneri Siemens SOMATOM Drive. Parametre skenovania boli nastavené nasledovne: 40 mAs, 120 kVp a hrúbka rezu 1 mm. Výsledné súbory DICOM boli analyzované pomocou softvéru MicroDicom DICOM Viewer na analýzu hodnôt HU 5 prierezov každej vzorky. Hodnoty HU získané pomocou CT boli porovnané s teoretickými výpočtami založenými na údajoch o hustote vzoriek.
Cieľom tejto štúdie je priniesť revolúciu vo výrobe modelov jednotlivých orgánov a umelých biologických tkanív pomocou konštrukcie mäkkých materiálov. Vývoj materiálov s mechanickými a rádiologickými vlastnosťami, ktoré zodpovedajú pracovnej mechanike ľudských pľúc, je dôležitý pre cielené aplikácie, ako je zlepšenie lekárskeho vzdelávania, chirurgické plánovanie a plánovanie rádioterapie. Na obrázku 1A sme znázornili rozdiel medzi mechanickými a rádiologickými vlastnosťami mäkkých materiálov, ktoré sa údajne používajú na výrobu modelov ľudských pľúc. Doteraz boli vyvinuté materiály, ktoré vykazujú požadované rádiologické vlastnosti, ale ich mechanické vlastnosti nespĺňajú požadované požiadavky. Polyuretánová pena a guma sú najpoužívanejšie materiály na výrobu deformovateľných modelov ľudských pľúc. Mechanické vlastnosti polyuretánovej peny (Youngov modul, YM) sú typicky 10 až 100-krát lepšie ako vlastnosti normálneho ľudského pľúcneho tkaniva. Materiály, ktoré vykazujú požadované mechanické aj rádiologické vlastnosti, zatiaľ nie sú známe.
(A) Schematické znázornenie vlastností rôznych mäkkých materiálov a porovnanie s ľudskými pľúcami z hľadiska hustoty, Youngovho modulu a rádiologických vlastností (v HU). (B) Röntgenový difrakčný obrazec alginátového hydrogélu s koncentráciou 5 % a molárnym pomerom Ca2+:-COOH 0,18. (C) Rozsah pomerov objemu vzduchu v hydrogélových penách. (D) Schematické znázornenie alginátových hydrogélových pien s rôznymi pomermi objemu vzduchu.
Vypočítalo sa elementárne zloženie alginátových hydrogélov s koncentráciou 5 % a molárnym pomerom Ca2+:-COOH 0,18 a výsledky sú uvedené v tabuľke 3. Podľa pravidla sčítania v predchádzajúcom vzorci (5) sa koeficient útlmu hmotnosti alginátového hydrogélu (\:\:\mu\:/\rho\:\) získa, ako je znázornené na obrázku 1B.
Hodnoty \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​pre vzduch a vodu boli získané priamo z referenčnej databázy noriem NIST 12612. Obrázok 1C teda zobrazuje vypočítané pomery objemu vzduchu v hydrogélových penách s hodnotami HU ekvivalentu medzi -600 a -700 pre ľudské pľúca. Teoreticky vypočítaný pomer objemu vzduchu je stabilný v rozmedzí 60 – 70 % v energetickom rozsahu od 1 × 10−3 do 2 × 101 MeV, čo naznačuje dobrý potenciál pre aplikáciu hydrogélovej peny v následných výrobných procesoch.
Obrázok 1D zobrazuje pripravenú vzorku alginátovej hydrogélovej peny. Všetky vzorky boli narezané na kocky s dĺžkou hrany 12,7 mm. Výsledky ukázali, že sa vytvorila homogénna, trojrozmerne stabilná hydrogélová pena. Bez ohľadu na pomer objemu vzduchu sa nepozorovali žiadne významné rozdiely vo vzhľade hydrogélových pien. Sebaudržateľná povaha hydrogélovej peny naznačuje, že sieť vytvorená v hydrogéli je dostatočne pevná na to, aby uniesla hmotnosť samotnej peny. Okrem malého úniku vody z peny pena tiež vykazovala prechodnú stabilitu počas niekoľkých týždňov.
Meraním hmotnosti a objemu vzorky peny sa vypočítala hustota pripravenej hydrogélovej peny (ρ) a výsledky sú uvedené v tabuľke 4. Výsledky ukazujú závislosť (ρ) od objemového pomeru vzduchu. Keď sa s 50 ml vzorky zmieša dostatočné množstvo vzduchu, hustota sa stane najnižšou a je 0,482 g/cm3. S klesajúcim množstvom zmiešaného vzduchu sa hustota zvyšuje na 0,685 g/cm3. Maximálna hodnota p medzi skupinami 50 ml, 100 ml a 110 ml bola 0,004 < 0,05, čo naznačuje štatistickú významnosť výsledkov.
Teoretická hodnota \(\:\rho\:\) sa tiež vypočíta pomocou riadeného pomeru objemov vzduchu. Namerané výsledky ukazujú, že \(\:\rho\:\) je o 0,1 g/cm³ menšia ako teoretická hodnota. Tento rozdiel možno vysvetliť vnútorným napätím generovaným v hydrogéli počas procesu želatinizácie, ktoré spôsobuje napučiavanie a tým vedie k poklesu \(\:\rho\:\). Toto bolo ďalej potvrdené pozorovaním niektorých medzier vo vnútri hydrogélovej peny na CT snímkach znázornených na obrázku 2 (A, B a C).
Snímky hydrogélových pien s rôznym objemovým obsahom vzduchu z optickej mikroskopie (A) 50, (B) 100 a (C) 110. Počet buniek a distribúcia veľkosti pórov vo vzorkách alginátových hydrogélových pien (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Obrázok 3 (A, B, C) zobrazuje snímky z optického mikroskopu vzoriek hydrogélovej peny s rôznymi pomermi objemu vzduchu. Výsledky demonštrujú optickú štruktúru hydrogélovej peny a jasne ukazujú snímky pórov s rôznymi priemermi. Rozloženie počtu pórov a priemeru bolo vypočítané pomocou ImageJ. Pre každú vzorku bolo nasnímaných šesť snímok, pričom každý obrázok mal veľkosť 1125,27 μm × 843,96 μm a celková analyzovaná plocha pre každú vzorku bola 5,7 mm².
(A) Správanie sa alginátových hydrogélových pien v závislosti od tlakového napätia a deformácie s rôznymi pomermi objemu vzduchu. (B) Exponenciálne fitovanie. (C) Kompresia E0 hydrogélových pien s rôznymi pomermi objemu vzduchu. (D) Medzné tlakové napätie a deformácia alginátových hydrogélových pien s rôznymi pomermi objemu vzduchu.
Obrázok 3 (D, E, F) ukazuje, že rozloženie veľkosti pórov je relatívne rovnomerné, v rozmedzí od desiatok mikrometrov do približne 500 mikrometrov. Veľkosť pórov je v podstate rovnomerná a mierne klesá so znižujúcim sa objemom vzduchu. Podľa testovacích údajov je priemerná veľkosť pórov vzorky s objemom 50 ml 192,16 μm, medián je 184,51 μm a počet pórov na jednotku plochy je 103; priemerná veľkosť pórov vzorky s objemom 100 ml je 156,62 μm, medián je 151,07 μm a počet pórov na jednotku plochy je 109; zodpovedajúce hodnoty vzorky s objemom 110 ml sú 163,07 μm, 150,29 μm a 115. Údaje ukazujú, že väčšie póry majú väčší vplyv na štatistické výsledky priemernej veľkosti pórov a medián veľkosti pórov môže lepšie odrážať trend zmeny veľkosti pórov. So zvyšujúcim sa objemom vzorky z 50 ml na 110 ml sa zvyšuje aj počet pórov. Kombináciou štatistických výsledkov mediánu priemeru pórov a počtu pórov možno konštatovať, že so zvyšujúcim sa objemom sa vo vzorke tvorí viac pórov menšej veľkosti.
Údaje z mechanických testov sú znázornené na obrázkoch 4A a 4D. Obrázok 4A znázorňuje správanie sa v závislosti od tlakového napätia a deformácie pripravených hydrogélových pien s rôznymi pomermi objemu vzduchu. Výsledky ukazujú, že všetky vzorky majú podobné nelineárne správanie v závislosti od napätia a deformácie. Pre každú vzorku sa napätie zvyšuje rýchlejšie so zvyšujúcim sa napätím. Exponenciálna krivka bola fitovaná na správanie sa v závislosti od tlakového napätia a deformácie hydrogélovej peny. Obrázok 4B znázorňuje výsledky po aplikácii exponenciálnej funkcie ako aproximačného modelu na hydrogélovú penu.
Pre hydrogélové peny s rôznymi pomermi objemu vzduchu bol skúmaný aj ich modul pružnosti v tlaku (E0). Podobne ako pri analýze hydrogélov bol skúmaný Youngov modul pružnosti v tlaku v rozsahu 20 % počiatočného napätia. Výsledky testov kompresie sú znázornené na obrázku 4C. Výsledky na obrázku 4C ukazujú, že s poklesom pomeru objemu vzduchu od vzorky 50 k vzorke 110 sa Youngov modul pružnosti v tlaku E0 alginátovej hydrogélovej peny zvyšuje z 10,86 kPa na 18 kPa.
Podobne boli získané kompletné krivky napätia a deformácie hydrogélových pien, ako aj hodnoty medzného tlakového napätia a deformácie. Obrázok 4D znázorňuje medzné tlakové napätie a deformáciu alginátových hydrogélových pien. Každý dátový bod je priemerom troch výsledkov testov. Výsledky ukazujú, že medzné tlakové napätie sa zvyšuje z 9,84 kPa na 17,58 kPa so znižujúcim sa obsahom plynu. Medzná deformácia zostáva stabilná na úrovni približne 38 %.
Obrázok 2 (A, B a C) zobrazuje CT snímky hydrogélových pien s rôznymi pomermi objemu vzduchu zodpovedajúcimi vzorkám 50, 100 a 110. Snímky ukazujú, že vytvorená hydrogélová pena je takmer homogénna. Vo vzorkách 100 a 110 bol pozorovaný malý počet medzier. Vznik týchto medzier môže byť spôsobený vnútorným napätím vytvoreným v hydrogéli počas procesu želatinizácie. Vypočítali sme hodnoty HU pre 5 prierezov každej vzorky a uviedli sme ich v tabuľke 5 spolu s príslušnými teoretickými výsledkami výpočtu.
Tabuľka 5 ukazuje, že vzorky s rôznymi pomermi objemu vzduchu dosiahli rôzne hodnoty HU. Maximálna hodnota p medzi skupinami 50 ml, 100 ml a 110 ml bola 0,004 < 0,05, čo naznačuje štatistickú významnosť výsledkov. Spomedzi troch testovaných vzoriek mala vzorka so zmesou 50 ml rádiologické vlastnosti najbližšie k vlastnostiam ľudských pľúc. Posledný stĺpec tabuľky 5 je výsledok získaný teoretickým výpočtom na základe nameranej hodnoty peny (ρ). Porovnaním nameraných údajov s teoretickými výsledkami možno zistiť, že hodnoty HU získané CT skenovaním sú vo všeobecnosti blízke teoretickým výsledkom, čo zase potvrdzuje výsledky výpočtu pomeru objemu vzduchu na obrázku 1C.
Hlavným cieľom tejto štúdie je vytvoriť materiál s mechanickými a rádiologickými vlastnosťami porovnateľnými s vlastnosťami ľudských pľúc. Tento cieľ bol dosiahnutý vývojom materiálu na báze hydrogélu s prispôsobenými mechanickými a rádiologickými vlastnosťami ekvivalentnými tkanivu, ktoré sa čo najviac približujú vlastnostiam ľudských pľúc. Na základe teoretických výpočtov boli mechanickým zmiešaním roztoku alginátu sodného, ​​CaCO3, GDL a SLES 70 pripravené hydrogélové peny s rôznymi objemovými pomermi vzduchu. Morfologická analýza ukázala, že vznikla homogénna trojrozmerná stabilná hydrogélová pena. Zmenou objemového pomeru vzduchu je možné ľubovoľne meniť hustotu a pórovitosť peny. So zvyšujúcim sa objemovým obsahom vzduchu sa veľkosť pórov mierne znižuje a počet pórov sa zvyšuje. Na analýzu mechanických vlastností alginátových hydrogélových pien boli vykonané kompresné testy. Výsledky ukázali, že modul kompresie (E0) získaný z kompresných testov je v ideálnom rozsahu pre ľudské pľúca. E0 sa zvyšuje so znižujúcim sa objemovým pomerom vzduchu. Hodnoty rádiologických vlastností (HU) pripravených vzoriek boli získané na základe CT údajov vzoriek a porovnané s výsledkami teoretických výpočtov. Výsledky boli priaznivé. Nameraná hodnota sa tiež blíži k hodnote HU ľudských pľúc. Výsledky ukazujú, že je možné vytvoriť hydrogélové peny napodobňujúce tkanivo s ideálnou kombináciou mechanických a rádiologických vlastností, ktoré napodobňujú vlastnosti ľudských pľúc.
Napriek sľubným výsledkom je potrebné zlepšiť súčasné výrobné metódy, aby sa lepšie kontroloval pomer objemu vzduchu a pórovitosť a zodpovedali tak predpovediam z teoretických výpočtov a skutočných ľudských pľúc na globálnej aj lokálnej úrovni. Súčasná štúdia je tiež obmedzená na testovanie kompresnej mechaniky, čo obmedzuje potenciálne využitie fantómu na kompresnú fázu dýchacieho cyklu. Budúci výskum by mal prospech zo skúmania ťahových skúšok, ako aj celkovej mechanickej stability materiálu s cieľom posúdiť potenciálne využitie v podmienkach dynamického zaťaženia. Napriek týmto obmedzeniam predstavuje štúdia prvý úspešný pokus o kombináciu rádiologických a mechanických vlastností v jednom materiáli, ktorý napodobňuje ľudské pľúca.
Súbory údajov vygenerované a/alebo analyzované počas aktuálnej štúdie sú k dispozícii od príslušného autora na základe primeranej žiadosti. Experimenty aj súbory údajov sú reprodukovateľné.
Song, G. a kol. Nové nanotechnológie a pokročilé materiály pre rádioterapiu rakoviny. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ a kol. Správa pracovnej skupiny AAPM 76a o manažmente respiračného pohybu v radiačnej onkológii. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. a Brock, KK Modelovanie rozhrania a materiálových nelinearít v ľudských pľúcach. Fyzika a medicína a biológia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. a kol. Model rakoviny pľúc podobného nádoru vytvorený 3D biotlačou. 3. Biotechnológia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. a kol. Modelovanie deformácie pľúc: metóda kombinujúca techniky registrácie deformovateľného obrazu a priestorovo variabilný odhad Youngovho modulu. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF a kol. Tuhosť živého tkaniva a jej dôsledky pre tkanivové inžinierstvo. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).