Salamat sa pagbisita sa nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin ang paggamit ng pinakabagong bersyon ng browser (o pag-off ng compatibility mode sa Internet Explorer). Bukod pa rito, upang matiyak ang patuloy na suporta, hindi isasama ng site na ito ang mga estilo o JavaScript.
Ang paggalaw ng mga organo at tisyu ay maaaring humantong sa mga pagkakamali sa pagpoposisyon ng mga X-ray habang nasa radiotherapy. Samakatuwid, ang mga materyales na may katumbas na tissue-equivalent na mekanikal at radiological na katangian ay kinakailangan upang gayahin ang paggalaw ng organ para sa pag-optimize ng radiotherapy. Gayunpaman, ang pagbuo ng mga naturang materyales ay nananatiling isang hamon. Ang mga alginate hydrogel ay may mga katangiang katulad ng sa extracellular matrix, na ginagawa silang promising bilang mga materyales na katumbas ng tissue. Sa pag-aaral na ito, ang mga alginate hydrogel foam na may ninanais na mekanikal at radiological na katangian ay na-synthesize sa pamamagitan ng in situ Ca2+ release. Ang air-to-volume ratio ay maingat na kinokontrol upang makakuha ng mga hydrogel foam na may tinukoy na mekanikal at radiological na katangian. Ang macro- at micromorphology ng mga materyales ay nailalarawan, at ang pag-uugali ng mga hydrogel foam sa ilalim ng compression ay pinag-aralan. Ang mga radiological na katangian ay tinantya sa teorya at napatunayan sa pamamagitan ng eksperimento gamit ang computed tomography. Ang pag-aaral na ito ay nagbibigay-liwanag sa hinaharap na pag-unlad ng mga materyales na katumbas ng tissue na maaaring gamitin para sa pag-optimize ng dosis ng radiation at pagkontrol ng kalidad habang nasa radiotherapy.
Ang radiation therapy ay isang karaniwang paggamot para sa kanser1. Ang paggalaw ng mga organo at tisyu ay kadalasang humahantong sa mga pagkakamali sa pagpoposisyon ng mga X-ray habang isinasagawa ang radiation therapy2, na maaaring magresulta sa hindi sapat na paggamot sa tumor at labis na pagkakalantad ng mga nakapalibot na malulusog na selula sa hindi kinakailangang radiation. Ang kakayahang mahulaan ang paggalaw ng mga organo at tisyu ay mahalaga upang mabawasan ang mga pagkakamali sa lokalisasyon ng tumor. Ang pag-aaral na ito ay nakatuon sa mga baga, dahil sumasailalim ang mga ito sa mga makabuluhang deformasyon at paggalaw kapag humihinga ang mga pasyente habang isinasagawa ang radiation therapy. Iba't ibang modelo ng finite element ang binuo at inilapat upang gayahin ang paggalaw ng mga baga ng tao3,4,5. Gayunpaman, ang mga organo at tisyu ng tao ay may mga kumplikadong geometry at lubos na umaasa sa pasyente. Samakatuwid, ang mga materyales na may mga katangiang katumbas ng tisyu ay lubhang kapaki-pakinabang para sa pagbuo ng mga pisikal na modelo upang mapatunayan ang mga teoretikal na modelo, mapadali ang pinahusay na medikal na paggamot, at para sa mga layunin ng edukasyong medikal.
Ang pagbuo ng mga materyales na ginagaya ang malambot na tisyu upang makamit ang mga kumplikadong panlabas at panloob na istrukturang heometriya ay nakakuha ng maraming atensyon dahil ang kanilang likas na mekanikal na hindi pagkakapare-pareho ay maaaring humantong sa mga pagkabigo sa mga target na aplikasyon6,7. Ang pagmomodelo ng kumplikadong biomechanics ng tisyu ng baga, na pinagsasama ang matinding lambot, elastisidad, at istrukturang porosity, ay nagdudulot ng isang malaking hamon sa pagbuo ng mga modelo na tumpak na nagpaparami ng baga ng tao. Ang pagsasama at pagtutugma ng mga mekanikal at radiological na katangian ay kritikal para sa epektibong pagganap ng mga modelo ng baga sa mga therapeutic intervention. Ang additive manufacturing ay napatunayang epektibo sa pagbuo ng mga modelong partikular sa pasyente, na nagbibigay-daan sa mabilis na prototyping ng mga kumplikadong disenyo. Si Shin et al. 8 ay bumuo ng isang maaaring kopyahin, maaaring baguhin ang hugis ng modelo ng baga na may 3D-printed na mga daanan ng hangin. Si Haselaar et al. 9 ay bumuo ng isang phantom na halos kapareho ng mga totoong pasyente para sa pagtatasa ng kalidad ng imahe at mga pamamaraan ng pag-verify ng posisyon para sa radiotherapy. Si Hong et al10 ay bumuo ng isang chest CT model gamit ang 3D printing at silicone casting technology upang kopyahin ang intensity ng CT ng iba't ibang mga sugat sa baga upang masuri ang katumpakan ng quantification. Gayunpaman, ang mga prototype na ito ay kadalasang gawa sa mga materyales na ang mga epektibong katangian ay ibang-iba sa mga katangian ng tisyu ng baga11.
Sa kasalukuyan, karamihan sa mga lung phantom ay gawa sa silicone o polyurethane foam, na hindi tumutugma sa mga mekanikal at radiological na katangian ng totoong lung parenchyma.12,13 Ang mga alginate hydrogel ay biocompatible at malawakang ginagamit sa tissue engineering dahil sa kanilang mga mekanikal na katangian na maaaring ibagay.14 Gayunpaman, ang muling paggawa ng ultra-soft, foam-like consistency na kinakailangan para sa isang lung phantom na tumpak na ginagaya ang elasticity at filling structure ng tissue ng baga ay nananatiling isang eksperimental na hamon.
Sa pag-aaral na ito, ipinapalagay na ang tisyu ng baga ay isang homogenous na elastic na materyal. Ang densidad ng tisyu ng baga ng tao (\(\:\rho\:\)) ay naiulat na 1.06 g/cm3, at ang densidad ng pinalobo na baga ay 0.26 g/cm315. Malawak na hanay ng mga halaga ng Young's modulus (MY) ng tisyu ng baga ang nakuha gamit ang iba't ibang mga pamamaraan ng eksperimento. Sinukat nina Lai-Fook et al. 16 ang YM ng baga ng tao na may pare-parehong pagpapalobo na 0.42–6.72 kPa. Gumamit si Goss et al. 17 ng magnetic resonance elastography at nag-ulat ng YM na 2.17 kPa. Iniulat naman nina Liu et al. 18 ang direktang nasukat na YM na 0.03–57.2 kPa. Tinantya nina Ilegbusi et al. 19 ang YM na 0.1–2.7 kPa batay sa datos ng 4D CT na nakuha mula sa mga piling pasyente.
Para sa mga katangiang radiolohikal ng baga, ilang mga parameter ang ginagamit upang ilarawan ang pag-uugali ng interaksyon ng tisyu ng baga sa mga X-ray, kabilang ang elementong komposisyon, densidad ng elektron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), epektibong atomic number (\(\:{Z}_{eff}\)), mean excitation energy (\(\:I\)), mass attenuation coefficient (\(\:\mu\:/\rho\:\)) at ang Hounsfield unit (HU), na direktang nauugnay sa \(\:\mu\:/\rho\:\).
Ang densidad ng elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) ay binibigyang kahulugan bilang ang bilang ng mga elektron bawat yunit ng volume at kinakalkula tulad ng sumusunod:
kung saan ang \(\:\rho\:\) ay ang densidad ng materyal sa g/cm3, ang \(\:{N}_{A}\) ay ang Avogadro constant, ang \(\:{w}_{i}\) ay ang mass fraction, ang \(\:{Z}_{i}\) ay ang atomic number, at ang \(\:{A}_{i}\) ay ang atomic weight ng ika-i na elemento.
Ang atomic number ay direktang nauugnay sa katangian ng interaksyon ng radiation sa loob ng materyal. Para sa mga compound at mixture na naglalaman ng ilang elemento (hal., mga tela), dapat kalkulahin ang effective atomic number na \(\:{Z}_{eff}\). Ang formula ay iminungkahi nina Murthy et al. 20:
Inilalarawan ng average excitation energy \(\:I\) kung gaano kadaling masipsip ng target na materyal ang kinetic energy ng mga tumatagos na particle. Inilalarawan lamang nito ang mga katangian ng target na materyal at walang kinalaman sa mga katangian ng mga particle. Ang \(\:I\) ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng paglalapat ng additivity rule ni Bragg:
Ang mass attenuation coefficient \(\:\mu\:/\rho\:\) ay naglalarawan sa penetration at energy release ng mga photon sa target na materyal. Maaari itong kalkulahin gamit ang sumusunod na pormula:
Kung saan ang \(\:x\) ay ang kapal ng materyal, ang \(\:{I}_{0}\) ay ang tindi ng liwanag na tumatama, at ang \(\:I\) ay ang tindi ng photon pagkatapos makapasok sa materyal. Ang datos ng \(\:\mu\:/\rho\:\) ay maaaring makuha nang direkta mula sa NIST 12621 Standards Reference Database. Ang mga halaga ng \(\:\mu\:/\rho\:\) para sa mga mixture at compound ay maaaring makuha gamit ang additivity rule gaya ng sumusunod:
Ang HU ay isang istandardisadong walang dimensyong yunit ng pagsukat ng radiodensidad sa interpretasyon ng datos ng computed tomography (CT), na linear na binago mula sa nasukat na koepisyent ng attenuation \(\:\mu\:\). Ito ay binibigyang kahulugan bilang:
kung saan ang \(\:{\mu\:}_{water}\) ay ang attenuation coefficient ng tubig, at ang \(\:{\mu\:}_{air}\) ay ang attenuation coefficient ng hangin. Samakatuwid, mula sa pormula (6) makikita natin na ang halaga ng HU ng tubig ay 0, at ang halaga ng HU ng hangin ay -1000. Ang halaga ng HU para sa mga baga ng tao ay mula -600 hanggang -70022.
Maraming materyales na katumbas ng tisyu ang nalikha. Bumuo sina Griffith et al. 23 ng isang modelong katumbas ng tisyu ng katawan ng tao na gawa sa polyurethane (PU) kung saan idinagdag ang iba't ibang konsentrasyon ng calcium carbonate (CaCO3) upang gayahin ang mga linear attenuation coefficients ng iba't ibang organo ng tao kabilang ang baga ng tao, at ang modelo ay pinangalanang Griffith. Nagpakita si Taylor24 ng pangalawang modelong katumbas ng tisyu ng baga na binuo ng Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), na pinangalanang LLLL1. Bumuo si Traub et al.25 ng isang bagong pamalit sa tisyu ng baga gamit ang Foamex XRS-272 na naglalaman ng 5.25% CaCO3 bilang isang performance enhancer, na pinangalanang ALT2. Ipinapakita ng mga Talahanayan 1 at 2 ang paghahambing ng \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) at ang mga mass attenuation coefficients para sa baga ng tao (ICRU-44) at ang mga modelong katumbas ng tisyu sa itaas.
Sa kabila ng mahusay na mga katangiang radiolohikal na nakamit, halos lahat ng mga materyales na phantom ay gawa sa polystyrene foam, na nangangahulugang ang mga mekanikal na katangian ng mga materyales na ito ay hindi maaaring maabot ang mga baga ng tao. Ang Young's modulus (YM) ng polyurethane foam ay humigit-kumulang 500 kPa, na malayo sa ideal kumpara sa normal na baga ng tao (mga 5-10 kPa). Samakatuwid, kinakailangang bumuo ng isang bagong materyal na maaaring matugunan ang mga mekanikal at radiolohikal na katangian ng mga totoong baga ng tao.
Malawakang ginagamit ang mga hydrogel sa tissue engineering. Ang istruktura at mga katangian nito ay katulad ng extracellular matrix (ECM) at madaling i-adjust. Sa pag-aaral na ito, ang purong sodium alginate ang napili bilang biomaterial para sa paghahanda ng mga foam. Ang mga alginate hydrogel ay biocompatible at malawakang ginagamit sa tissue engineering dahil sa kanilang mga adjustable mechanical properties. Ang elemental composition ng sodium alginate (C6H7NaO6)n at ang presensya ng Ca2+ ay nagbibigay-daan sa mga radiological properties nito na mai-adjust kung kinakailangan. Ang kombinasyong ito ng mga adjustable mechanical at radiological properties ay ginagawang perpekto ang mga alginate hydrogel para sa aming pag-aaral. Siyempre, ang mga alginate hydrogel ay mayroon ding mga limitasyon, lalo na sa mga tuntunin ng pangmatagalang katatagan sa panahon ng mga simulated respiratory cycle. Samakatuwid, kailangan at inaasahan ang mga karagdagang pagpapabuti sa mga pag-aaral sa hinaharap upang matugunan ang mga limitasyong ito.
Sa gawaing ito, bumuo kami ng isang alginate hydrogel foam material na may kontroladong rho values, elasticity, at radiological properties na katulad ng sa tissue ng baga ng tao. Ang pag-aaral na ito ay magbibigay ng pangkalahatang solusyon para sa paggawa ng mga tissue-like phantoms na may tunable elastic at radiological properties. Ang mga katangian ng materyal ay madaling maiayon sa anumang tissue at organ ng tao.
Ang target na air to volume ratio ng hydrogel foam ay kinalkula batay sa HU range ng baga ng tao (-600 hanggang -700). Ipinapalagay na ang foam ay isang simpleng halo ng hangin at sintetikong alginate hydrogel. Gamit ang isang simpleng panuntunan sa pagdaragdag ng mga indibidwal na elemento \(\:\mu\:/\rho\:\), maaaring kalkulahin ang volume fraction ng hangin at ang volume ratio ng na-synthesize na alginate hydrogel.
Ang mga alginate hydrogel foam ay inihanda gamit ang sodium alginate (Bahagi Blg. W201502), CaCO3 (Bahagi Blg. 795445, MW: 100.09), at GDL (Bahagi Blg. G4750, MW: 178.14) na binili mula sa Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) ay binili mula sa Renowned Trading LLC. Ginamit ang deionized na tubig sa proseso ng paghahanda ng foam. Ang sodium alginate ay tinunaw sa deionized na tubig sa temperatura ng silid na may patuloy na paghahalo (600 rpm) hanggang sa makuha ang isang homogenous na dilaw na translucent na solusyon. Ang CaCO3 kasama ang GDL ay ginamit bilang pinagmumulan ng Ca2+ upang simulan ang gelation. Ginamit ang SLES 70 bilang surfactant upang bumuo ng isang porous na istraktura sa loob ng hydrogel. Ang konsentrasyon ng alginate ay pinanatili sa 5% at ang Ca2+:-COOH molar ratio ay pinanatili sa 0.18. Ang molar ratio ng CaCO3:GDL ay pinanatili rin sa 0.5 habang inihahanda ang foam upang mapanatili ang neutral na pH. Ang halaga ay 26. 2% ayon sa volume ng SLES 70 ang idinagdag sa lahat ng sample. Isang beaker na may takip ang ginamit upang kontrolin ang mixing ratio ng solusyon at hangin. Ang kabuuang volume ng beaker ay 140 ml. Batay sa mga resulta ng teoretikal na kalkulasyon, iba't ibang volume ng mixture (50 ml, 100 ml, 110 ml) ang idinagdag sa beaker upang ihalo sa hangin. Ang sample na naglalaman ng 50 ml ng mixture ay dinisenyo upang ihalo sa sapat na hangin, habang ang air volume ratio sa iba pang dalawang sample ay kinokontrol. Una, ang SLES 70 ay idinagdag sa alginate solution at hinalo gamit ang electric stirrer hanggang sa ganap na maghalo. Pagkatapos, ang CaCO3 suspension ay idinagdag sa mixture at patuloy na hinalo hanggang sa ganap na maghalo ang mixture, nang magbago ang kulay nito sa puti. Panghuli, ang GDL solution ay idinagdag sa mixture upang simulan ang gelation, at pinanatili ang mechanical stirring sa buong proseso. Para sa sampol na naglalaman ng 50 ml ng pinaghalong sangkap, itinigil ang mekanikal na paghahalo kapag tumigil na sa pagbabago ang dami ng pinaghalong sangkap. Para sa mga sampol na naglalaman ng 100 ml at 110 ml ng pinaghalong sangkap, itinigil ang mekanikal na paghahalo kapag napuno na ng pinaghalong sangkap ang beaker. Sinubukan din naming maghanda ng mga hydrogel foam na may dami sa pagitan ng 50 ml at 100 ml. Gayunpaman, naobserbahan ang kawalang-tatag ng istruktura ng foam, dahil ito ay pabago-bago sa pagitan ng estado ng kumpletong paghahalo ng hangin at ng estado ng pagkontrol ng dami ng hangin, na nagresulta sa hindi pare-parehong pagkontrol ng dami. Ang kawalang-tatag na ito ay nagdulot ng kawalan ng katiyakan sa mga kalkulasyon, at samakatuwid ay hindi isinama ang saklaw ng dami na ito sa pag-aaral na ito.
Ang densidad \(\:\rho\:\) ng isang hydrogel foam ay kinakalkula sa pamamagitan ng pagsukat ng masa \(\:m\) at dami \(\:V\) ng isang sample ng hydrogel foam.
Ang mga optical microscopic na imahe ng hydrogel foam ay nakuha gamit ang isang Zeiss Axio Observer A1 camera. Ginamit ang ImageJ software upang kalkulahin ang bilang at laki ng distribusyon ng mga pores sa isang sample sa isang partikular na lugar batay sa mga nakuha na imahe. Ang hugis ng pore ay ipinapalagay na pabilog.
Upang pag-aralan ang mga mekanikal na katangian ng alginate hydrogel foam, isinagawa ang mga uniaxial compression test gamit ang isang TESTRESOURCES 100 series machine. Ang mga sample ay pinutol sa mga parihabang bloke at ang mga sukat ng bloke ay sinukat upang kalkulahin ang mga stress at strain. Ang bilis ng crosshead ay itinakda sa 10 mm/min. Tatlong sample ang sinubukan para sa bawat sample at ang mean at standard deviation ay kinalkula mula sa mga resulta. Ang pag-aaral na ito ay nakatuon sa mga compressive mechanical properties ng alginate hydrogel foam dahil ang tissue ng baga ay napapailalim sa mga compressive forces sa isang partikular na yugto ng respiratory cycle. Siyempre, ang extensibility ay mahalaga, lalo na upang maipakita ang buong dynamic na pag-uugali ng tissue ng baga at ito ay susuriin sa mga pag-aaral sa hinaharap.
Ang mga inihandang sample ng hydrogel foam ay ini-scan sa isang Siemens SOMATOM Drive dual-channel CT scanner. Ang mga parameter ng pag-scan ay itinakda tulad ng sumusunod: 40 mAs, 120 kVp at 1 mm na kapal ng slice. Ang mga nagresultang DICOM file ay sinuri gamit ang MicroDicom DICOM Viewer software upang suriin ang mga halaga ng HU ng 5 cross-section ng bawat sample. Ang mga halaga ng HU na nakuha sa pamamagitan ng CT ay inihambing sa mga teoretikal na kalkulasyon batay sa datos ng densidad ng mga sample.
Ang layunin ng pag-aaral na ito ay baguhin nang lubusan ang paggawa ng mga indibidwal na modelo ng organ at artipisyal na biyolohikal na tisyu sa pamamagitan ng pag-iinhinyero ng malalambot na materyales. Ang pagbuo ng mga materyales na may mga mekanikal at radiological na katangian na tumutugma sa mekanismo ng paggana ng mga baga ng tao ay mahalaga para sa mga naka-target na aplikasyon tulad ng pagpapabuti ng pagsasanay sa medisina, pagpaplano ng operasyon, at pagpaplano ng radiation therapy. Sa Figure 1A, ipinakita namin ang pagkakaiba sa pagitan ng mga mekanikal at radiological na katangian ng mga malambot na materyales na maaaring gamitin upang gumawa ng mga modelo ng baga ng tao. Sa ngayon, may mga materyales na nabuo na nagpapakita ng ninanais na mga radiological na katangian, ngunit ang kanilang mga mekanikal na katangian ay hindi nakakatugon sa mga ninanais na kinakailangan. Ang polyurethane foam at goma ang pinakamalawak na ginagamit na materyales para sa paggawa ng mga deformable na modelo ng baga ng tao. Ang mga mekanikal na katangian ng polyurethane foam (Young's modulus, YM) ay karaniwang 10 hanggang 100 beses na mas malaki kaysa sa normal na tisyu ng baga ng tao. Ang mga materyales na nagpapakita ng parehong ninanais na mekanikal at radiological na katangian ay hindi pa alam.
(A) Eskematikong representasyon ng mga katangian ng iba't ibang malambot na materyales at paghahambing sa baga ng tao sa mga tuntunin ng densidad, modulus ni Young at mga katangiang radiolohikal (sa HU). (B) Pattern ng diffraction ng X-ray ng \(\:\mu\:/\rho\:\) alginate hydrogel na may konsentrasyon na 5% at molar ratio ng Ca2+:-COOH na 0.18. (C) Saklaw ng mga ratio ng volume ng hangin sa mga hydrogel foam. (D) Eskematikong representasyon ng mga alginate hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin.
Ang elemental na komposisyon ng mga alginate hydrogel na may konsentrasyon na 5% at Ca2+:-COOH molar ratio na 0.18 ay kinalkula, at ang mga resulta ay ipinapakita sa Table 3. Ayon sa addition rule sa nakaraang pormula (5), ang mass attenuation coefficient ng alginate hydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) ay nakuha gaya ng ipinapakita sa Figure 1B.
Ang mga halaga ng \(\:\mu\:/\rho\:\) para sa hangin at tubig ay direktang nakuha mula sa NIST 12612 standards reference database. Kaya, ipinapakita ng Figure 1C ang kinakalkulang air volume ratios sa mga hydrogel foam na may katumbas na halaga ng HU sa pagitan ng -600 at -700 para sa baga ng tao. Ang teoretikal na kinakalkulang air volume ratio ay matatag sa loob ng 60–70% sa hanay ng enerhiya mula 1 × 10−3 hanggang 2 × 101 MeV, na nagpapahiwatig ng magandang potensyal para sa aplikasyon ng hydrogel foam sa mga proseso ng pagmamanupaktura sa ibaba ng agos.
Ipinapakita ng Figure 1D ang inihandang sample ng alginate hydrogel foam. Lahat ng sample ay hiniwa sa mga cube na may haba ng gilid na 12.7 mm. Ipinakita ng mga resulta na nabuo ang isang homogenous, three-dimensionally stable na hydrogel foam. Anuman ang ratio ng volume ng hangin, walang naobserbahang makabuluhang pagkakaiba sa hitsura ng mga hydrogel foam. Ang self-sustaining nature ng hydrogel foam ay nagmumungkahi na ang network na nabuo sa loob ng hydrogel ay sapat na malakas upang suportahan ang bigat ng foam mismo. Bukod sa kaunting pagtagas ng tubig mula sa foam, nagpakita rin ang foam ng panandaliang katatagan sa loob ng ilang linggo.
Sa pamamagitan ng pagsukat ng masa at dami ng sample ng foam, ang densidad ng inihandang hydrogel foam \(\:\rho\:\) ay kinalkula, at ang mga resulta ay ipinapakita sa Table 4. Ipinapakita ng mga resulta ang pagdepende ng \(\:\rho\:\) sa ratio ng dami ng hangin. Kapag sapat na hangin ang hinaluan ng 50 ml ng sample, ang densidad ay nagiging pinakamababa at 0.482 g/cm3. Habang bumababa ang dami ng pinaghalong hangin, tumataas ang densidad sa 0.685 g/cm3. Ang pinakamataas na halaga ng p sa pagitan ng mga grupo ng 50 ml, 100 ml at 110 ml ay 0.004 < 0.05, na nagpapahiwatig ng istatistikal na kahalagahan ng mga resulta.
Ang teoretikal na halaga ng \(\:\rho\:\) ay kinakalkula rin gamit ang kontroladong ratio ng dami ng hangin. Ipinapakita ng mga nasukat na resulta na ang \(\:\rho\:\) ay 0.1 g/cm³ na mas maliit kaysa sa teoretikal na halaga. Ang pagkakaibang ito ay maaaring ipaliwanag ng panloob na stress na nalilikha sa hydrogel habang nasa proseso ng gelation, na nagdudulot ng pamamaga at sa gayon ay humahantong sa pagbaba ng \(\:\rho\:\). Ito ay higit pang nakumpirma ng obserbasyon ng ilang mga puwang sa loob ng hydrogel foam sa mga imahe ng CT na ipinapakita sa Figure 2 (A, B at C).
Mga imahe ng optical microscopy ng mga hydrogel foam na may iba't ibang nilalaman ng volume ng hangin (A) 50, (B) 100, at (C) 110. Bilang ng mga cell at distribusyon ng laki ng butas sa mga sample ng alginate hydrogel foam (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Ipinapakita ng Figure 3 (A, B, C) ang mga imahe ng optical microscope ng mga sample ng hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin. Ipinapakita ng mga resulta ang optical structure ng hydrogel foam, na malinaw na nagpapakita ng mga imahe ng mga pores na may iba't ibang diameter. Ang distribusyon ng bilang ng pore at diameter ay kinalkula gamit ang ImageJ. Anim na imahe ang kinuha para sa bawat sample, ang bawat imahe ay may sukat na 1125.27 μm × 843.96 μm, at ang kabuuang area na sinuri para sa bawat sample ay 5.7 mm².
(A) Pag-uugali ng compressive stress-strain ng mga alginate hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin. (B) Exponential fitting. (C) Compression E0 ng mga hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin. (D) Ultimate compressive stress at strain ng mga alginate hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin.
Ipinapakita ng Figure 3 (D, E, F) na ang distribusyon ng laki ng butas ay medyo pare-pareho, mula sa sampu-sampung micrometer hanggang humigit-kumulang 500 micrometer. Ang laki ng butas ay halos pare-pareho, at bahagyang bumababa ito habang bumababa ang volume ng hangin. Ayon sa datos ng pagsubok, ang average na laki ng butas ng 50 ml na sample ay 192.16 μm, ang median ay 184.51 μm, at ang bilang ng mga butas bawat unit area ay 103; ang average na laki ng butas ng 100 ml na sample ay 156.62 μm, ang median ay 151.07 μm, at ang bilang ng mga butas bawat unit area ay 109; ang mga katumbas na halaga ng 110 ml na sample ay 163.07 μm, 150.29 μm at 115, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng datos na ang mas malalaking butas ay may mas malaking impluwensya sa mga resulta ng istatistika ng average na laki ng butas, at ang median na laki ng butas ay mas mahusay na maipakita ang trend ng pagbabago ng laki ng butas. Habang tumataas ang volume ng sample mula 50 ml hanggang 110 ml, tumataas din ang bilang ng mga pores. Kung pagsasama-samahin ang mga resultang istatistikal ng median pore diameter at pore number, mahihinuha na sa pagtaas ng volume, mas maraming pores na mas maliit ang nabubuo sa loob ng sample.
Ang datos ng mekanikal na pagsubok ay ipinapakita sa Mga Larawan 4A at 4D. Ipinapakita ng Larawan 4A ang compressive stress-strain behavior ng mga inihandang hydrogel foam na may iba't ibang air volume ratio. Ipinapakita ng mga resulta na ang lahat ng sample ay may magkakatulad na nonlinear stress-strain behavior. Para sa bawat sample, mas mabilis na tumataas ang stress kasabay ng pagtaas ng strain. Isang exponential curve ang iniakma sa compressive stress-strain behavior ng hydrogel foam. Ipinapakita ng Larawan 4B ang mga resulta pagkatapos ilapat ang exponential function bilang isang approximating model sa hydrogel foam.
Para sa mga hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin, pinag-aralan din ang kanilang compressive modulus (E0). Katulad ng pagsusuri ng mga hydrogel, sinuri ang compressive Young's modulus sa hanay na 20% initial strain. Ang mga resulta ng mga compression test ay ipinapakita sa Figure 4C. Ang mga resulta sa Figure 4C ay nagpapakita na habang bumababa ang air volume ratio mula sample 50 hanggang sample 110, ang compressive Young's modulus E0 ng alginate hydrogel foam ay tumataas mula 10.86 kPa hanggang 18 kPa.
Gayundin, nakuha ang kumpletong stress-strain curves ng hydrogel foams, pati na rin ang ultimate compressive stress at strain values. Ipinapakita ng Figure 4D ang ultimate compressive stress at strain ng alginate hydrogel foams. Ang bawat data point ay ang average ng tatlong resulta ng pagsubok. Ipinapakita ng mga resulta na ang ultimate compressive stress ay tumataas mula 9.84 kPa hanggang 17.58 kPa kasabay ng pagbaba ng nilalaman ng gas. Ang ultimate strain ay nananatiling matatag sa humigit-kumulang 38%.
Ipinapakita ng Figure 2 (A, B, at C) ang mga CT image ng hydrogel foam na may iba't ibang air volume ratio na tumutugma sa mga sample 50, 100, at 110, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng mga imahe na ang nabuo na hydrogel foam ay halos homogenous. May kaunting mga puwang na naobserbahan sa mga sample 100 at 110. Ang pagbuo ng mga puwang na ito ay maaaring dahil sa internal stress na nabuo sa hydrogel habang isinasagawa ang gelation. Kinalkula namin ang mga halaga ng HU para sa 5 cross section ng bawat sample at inilista ang mga ito sa Table 5 kasama ang kaukulang teoretikal na resulta ng pagkalkula.
Ipinapakita ng Talahanayan 5 na ang mga sample na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin ay nakakuha ng iba't ibang halaga ng HU. Ang pinakamataas na halaga ng p sa pagitan ng 50 ml, 100 ml at 110 ml na grupo ay 0.004 < 0.05, na nagpapahiwatig ng istatistikal na kahalagahan ng mga resulta. Sa tatlong sample na sinubukan, ang sample na may 50 ml na halo ay may mga katangiang radiological na pinakamalapit sa mga baga ng tao. Ang huling kolum ng Talahanayan 5 ay ang resultang nakuha sa pamamagitan ng teoretikal na kalkulasyon batay sa nasukat na halaga ng foam \(\:\rho\:\). Sa pamamagitan ng paghahambing ng nasukat na datos sa mga teoretikal na resulta, matutukoy na ang mga halaga ng HU na nakuha sa pamamagitan ng CT scan ay karaniwang malapit sa mga teoretikal na resulta, na siya namang nagpapatunay sa mga resulta ng pagkalkula ng ratio ng volume ng hangin sa Figure 1C.
Ang pangunahing layunin ng pag-aaral na ito ay lumikha ng isang materyal na may mga mekanikal at radiological na katangian na maihahambing sa mga baga ng tao. Nakamit ang layuning ito sa pamamagitan ng pagbuo ng isang materyal na nakabatay sa hydrogel na may mga katangiang mekanikal at radiological na katumbas ng tisyu na pinakamalapit hangga't maaari sa mga baga ng tao. Sa gabay ng mga teoretikal na kalkulasyon, ang mga hydrogel foam na may iba't ibang ratio ng volume ng hangin ay inihanda sa pamamagitan ng mekanikal na paghahalo ng sodium alginate solution, CaCO3, GDL at SLES 70. Ipinakita ng pagsusuring morpolohikal na nabuo ang isang homogenous na three-dimensional stable hydrogel foam. Sa pamamagitan ng pagbabago ng ratio ng volume ng hangin, ang density at porosity ng foam ay maaaring iba-iba ayon sa gusto. Sa pagtaas ng nilalaman ng volume ng hangin, bahagyang bumababa ang laki ng butas at tumataas ang bilang ng mga butas. Isinagawa ang mga pagsubok sa kompresyon upang suriin ang mga mekanikal na katangian ng alginate hydrogel foam. Ipinakita ng mga resulta na ang compressive modulus (E0) na nakuha mula sa mga pagsubok sa kompresyon ay nasa mainam na saklaw para sa mga baga ng tao. Tumataas ang E0 habang bumababa ang ratio ng volume ng hangin. Ang mga halaga ng mga radiological properties (HU) ng mga inihandang sample ay nakuha batay sa CT data ng mga sample at inihambing sa mga resulta ng mga teoretikal na kalkulasyon. Ang mga resulta ay kanais-nais. Ang nasukat na halaga ay malapit din sa halaga ng HU ng mga baga ng tao. Ipinapakita ng mga resulta na posible na lumikha ng mga tissue-imitating hydrogel foam na may mainam na kumbinasyon ng mga mekanikal at radiological na katangian na ginagaya ang mga katangian ng mga baga ng tao.
Sa kabila ng magagandang resulta, kailangang pagbutihin ang kasalukuyang mga pamamaraan ng paggawa upang mas mahusay na makontrol ang ratio ng volume ng hangin at porosity upang tumugma sa mga hula mula sa mga teoretikal na kalkulasyon at totoong baga ng tao sa parehong pandaigdigan at lokal na antas. Ang kasalukuyang pag-aaral ay limitado rin sa pagsubok sa mekanika ng compression, na naglilimita sa potensyal na aplikasyon ng phantom sa yugto ng compression ng respiratory cycle. Ang mga pananaliksik sa hinaharap ay makikinabang sa pagsisiyasat ng tensile testing pati na rin ang pangkalahatang mekanikal na katatagan ng materyal upang masuri ang mga potensyal na aplikasyon sa ilalim ng mga dynamic na kondisyon ng pagkarga. Sa kabila ng mga limitasyong ito, ang pag-aaral ay nagmamarka ng unang matagumpay na pagtatangka na pagsamahin ang mga radiological at mekanikal na katangian sa isang materyal na ginagaya ang baga ng tao.
Ang mga dataset na nabuo at/o sinuri sa kasalukuyang pag-aaral ay makukuha mula sa kaukulang may-akda kapag may makatwirang kahilingan. Ang mga eksperimento at dataset ay maaaring kopyahin.
Song, G., et al. Mga makabagong nanoteknolohiya at mga makabagong materyales para sa radiation therapy sa kanser. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Ulat ng AAPM 76a Task Force on Respiratory Motion Management in Radiation Oncology. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., at Brock, KK Pagmomodelo ng interface at mga nonlinearidad ng materyal sa baga ng tao. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modelo ng kanser sa baga na parang tumor na nabuo sa pamamagitan ng 3D bioprinting. 3. Biotechnology. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Pagmomodelo ng deformasyon ng baga: isang pamamaraan na pinagsasama ang mga pamamaraan ng deformable image registration at spatially variation ng Young's modulus estimation. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Katigasan ng buhay na tisyu at ang mga implikasyon nito para sa tissue engineering. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).