Dėkojame, kad apsilankėte nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad patirtis būtų geriausia, rekomenduojame naudoti naujausią naršyklės versiją (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Be to, siekiant užtikrinti nuolatinį palaikymą, šioje svetainėje nebus stilių ar „JavaScript“.
Organų ir audinių judėjimas gali sukelti rentgeno spindulių padėties paklaidas radioterapijos metu. Todėl, siekiant optimizuoti radioterapiją, reikalingos medžiagos, turinčios audinių ekvivalentiškas mechanines ir radiologines savybes, kurios imituotų organų judėjimą. Tačiau tokių medžiagų kūrimas išlieka iššūkiu. Alginato hidrogeliai pasižymi panašiomis savybėmis kaip ir tarpląstelinė matrica, todėl jie yra perspektyvūs kaip audinių ekvivalentiškos medžiagos. Šiame tyrime alginato hidrogelio putos su norimomis mechaninėmis ir radiologinėmis savybėmis buvo susintetintos in situ Ca2+ išskyrimu. Oro ir tūrio santykis buvo kruopščiai kontroliuojamas, siekiant gauti hidrogelio putas su apibrėžtomis mechaninėmis ir radiologinėmis savybėmis. Buvo apibūdinta medžiagų makro- ir mikromorfologija, tirtas hidrogelio putų elgesys suspaudimo metu. Radiologinės savybės buvo įvertintos teoriškai ir patikrintos eksperimentiškai naudojant kompiuterinę tomografiją. Šis tyrimas nušviečia būsimą audinių ekvivalentiškų medžiagų, kurios gali būti naudojamos spinduliuotės dozės optimizavimui ir kokybės kontrolei radioterapijos metu, kūrimą.
Spindulinė terapija yra įprastas vėžio gydymo būdas1. Organų ir audinių judėjimas dažnai sukelia rentgeno spindulių padėties paklaidas spindulinės terapijos metu2, dėl ko navikas gali būti nepakankamai apdorotas, o aplinkinės sveikos ląstelės per daug apšvitintos nereikalinga radiacija. Gebėjimas numatyti organų ir audinių judėjimą yra labai svarbus siekiant sumažinti naviko lokalizacijos paklaidas. Šiame tyrime daugiausia dėmesio skirta plaučiams, nes jie patiria didelę deformaciją ir judėjimą, kai pacientai kvėpuoja spindulinės terapijos metu. Buvo sukurti ir pritaikyti įvairūs baigtinių elementų modeliai žmogaus plaučių judėjimui imituoti3,4,5. Tačiau žmogaus organai ir audiniai turi sudėtingą geometriją ir labai priklauso nuo paciento. Todėl medžiagos, turinčios audinių ekvivalentiškumo savybių, yra labai naudingos kuriant fizinius modelius, siekiant patvirtinti teorinius modelius, palengvinti geresnį medicininį gydymą ir medicininio švietimo tikslais.
Minkštuosius audinius imituojančių medžiagų kūrimas, siekiant sudėtingų išorinių ir vidinių struktūrinių geometrijų, sulaukė didelio dėmesio, nes joms būdingi mechaniniai neatitikimai gali sukelti gedimus taikiniuose6,7. Sudėtingos plaučių audinio biomechanikos, kuriai būdingas ypatingas minkštumas, elastingumas ir struktūrinis poringumas, modeliavimas kelia didelį iššūkį kuriant modelius, kurie tiksliai atkuria žmogaus plaučius. Mechaninių ir radiologinių savybių integravimas ir suderinimas yra labai svarbūs efektyviam plaučių modelių veikimui terapinėse intervencijose. Adityvioji gamyba pasirodė esanti veiksminga kuriant pacientui pritaikytus modelius, leidžianti greitai sukurti sudėtingų konstrukcijų prototipus. Shin ir kt.8 sukūrė atkuriamą, deformuojamą plaučių modelį su 3D spausdintais kvėpavimo takais. Haselaar ir kt.9 sukūrė fantomą, labai panašų į tikrus pacientus, skirtą vaizdo kokybės įvertinimui ir padėties patvirtinimo metodams radioterapijai. Hong ir kt.10 sukūrė krūtinės ląstos KT modelį, naudodami 3D spausdinimo ir silikono liejimo technologiją, kad atkurtų įvairių plaučių pažeidimų KT intensyvumą ir įvertintų kiekybinio įvertinimo tikslumą. Tačiau šie prototipai dažnai gaminami iš medžiagų, kurių efektyvios savybės labai skiriasi nuo plaučių audinio savybių11.
Šiuo metu dauguma plaučių fantomų yra pagaminti iš silikono arba poliuretano putų, kurios neatitinka tikrosios plaučių parenchimos mechaninių ir radiologinių savybių.12,13 Alginato hidrogeliai yra biologiškai suderinami ir dėl savo reguliuojamų mechaninių savybių plačiai naudojami audinių inžinerijoje.14 Tačiau itin minkštos, putplasčio konsistencijos, reikalingos plaučių fantomui, tiksliai imituojančiam plaučių audinio elastingumą ir užpildymo struktūrą, atkūrimas išlieka eksperimentiniu iššūkiu.
Šiame tyrime buvo daroma prielaida, kad plaučių audinys yra homogeninė elastinga medžiaga. Pranešama, kad žmogaus plaučių audinio tankis (\(\:\rho\:\)) yra 1,06 g/cm3, o pripūsto plaučių tankis – 0,26 g/cm315. Taikant skirtingus eksperimentinius metodus, buvo gautas platus plaučių audinio Youngo modulio (MY) verčių diapazonas. Lai-Fook ir kt. 16 išmatavo žmogaus plaučių YM, kai jos tolygiai pripūstos, ir jis buvo 0,42–6,72 kPa. Goss ir kt. 17 naudojo magnetinio rezonanso elastografiją ir pranešė, kad YM yra 2,17 kPa. Liu ir kt. 18 pranešė, kad tiesiogiai išmatuotas YM yra 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi ir kt. 19, remdamiesi atrinktų pacientų 4D KT duomenimis, apskaičiavo, kad YM yra 0,1–2,7 kPa.
Plaučių radiologinėms savybėms įvertinti naudojami keli parametrai, apibūdinantys plaučių audinio sąveikos su rentgeno spinduliais elgseną, įskaitant elementinę sudėtį, elektronų tankį (\(\:{\rho\:}_{e}\)), efektyvųjį atominį skaičių (\(\:{Z}_{eff}\)), vidutinę sužadinimo energiją (\(\:I\)), masės silpninimo koeficientą (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ir Haunsfildo vienetą (HU), kuris yra tiesiogiai susijęs su \(\:\mu\:/\rho\:\).
Elektronų tankis (\:{\rho\:}_{e}\) apibrėžiamas kaip elektronų skaičius tūrio vienete ir apskaičiuojamas taip:
kur \(\:\rho\:\) yra medžiagos tankis g/cm3, \(\:{N}_{A}\) yra Avogadro konstanta, \(\:{w}_{i}\) yra masės dalis, \(\:{Z}_{i}\) yra atominis skaičius, o \(\:{A}_{i}\) yra i-tojo elemento atominis svoris.
Atomo numeris yra tiesiogiai susijęs su spinduliuotės sąveikos pobūdžiu medžiagoje. Junginiams ir mišiniams, kuriuose yra keli elementai (pvz., audiniams), reikia apskaičiuoti efektyvųjį atomo numerį \(\:{Z}_{eff}\). Formulę pasiūlė Murthy ir kt. 20:
Vidutinė sužadinimo energija \(\:I\) apibūdina, kaip lengvai taikinio medžiaga sugeria prasiskverbiančių dalelių kinetinę energiją. Ji apibūdina tik taikinio medžiagos savybes ir neturi nieko bendra su dalelių savybėmis. \(\:I\) galima apskaičiuoti taikant Brago adityvumo taisyklę:
Masės silpninimo koeficientas (\:\mu\:/\rho\:\) apibūdina fotonų prasiskverbimą į taikinio medžiagą ir energijos išsiskyrimą į ją. Jį galima apskaičiuoti pagal šią formulę:
Kur \(\:x\) yra medžiagos storis, \(\:{I}_{0}\) yra krintančios šviesos intensyvumas, o \(\:I\) yra fotono intensyvumas po prasiskverbimo į medžiagą. \(\:\mu\:/\rho\:\) duomenis galima gauti tiesiogiai iš NIST 12621 standartų duomenų bazės. \(\:\mu\:/\rho\:\) mišinių ir junginių vertes galima gauti naudojant adityvumo taisyklę taip:
HU yra standartizuotas bematis radiotankio matavimo vienetas, naudojamas interpretuojant kompiuterinės tomografijos (KT) duomenis, kuris tiesiškai transformuojamas iš išmatuoto silpninimo koeficiento \(\:\mu\:\). Jis apibrėžiamas taip:
kur \(\:{\mu\:}_{water}\) yra vandens silpninimo koeficientas, o \(\:{\mu\:}_{air}\) yra oro silpninimo koeficientas. Todėl iš (6) formulės matome, kad vandens HU vertė yra 0, o oro HU vertė yra -1000. Žmogaus plaučių HU vertė svyruoja nuo -600 iki -70022.
Sukurtos kelios audinių ekvivalentų medžiagos. Griffith ir kt.23 sukūrė žmogaus liemens audinių ekvivalento modelį, pagamintą iš poliuretano (PU), į kurį buvo pridėta įvairių koncentracijų kalcio karbonato (CaCO3), siekiant imituoti įvairių žmogaus organų, įskaitant žmogaus plaučius, linijinius silpninimo koeficientus, ir šis modelis buvo pavadintas Griffith. Taylor24 pristatė antrą plaučių audinio ekvivalento modelį, kurį sukūrė Lawrence'o Livermore'o nacionalinė laboratorija (LLNL), pavadintą LLLL1. Traub ir kt.25 sukūrė naują plaučių audinio pakaitalą, naudodami „Foamex XRS-272“, kuriame yra 5,25 % CaCO3, kaip našumo gerinimo priemonę, ir pavadino jį ALT2. 1 ir 2 lentelėse pateikiamas \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) ir masės silpninimo koeficientų palyginimas žmogaus plaučiams (ICRU-44) ir aukščiau paminėtiems audinių ekvivalento modeliams.
Nepaisant puikių radiologinių savybių, beveik visos fantominės medžiagos yra pagamintos iš polistireninio putplasčio, o tai reiškia, kad šių medžiagų mechaninės savybės negali priartėti prie žmogaus plaučių savybių. Poliuretano putplasčio Youngo modulis (YM) yra apie 500 kPa, o tai toli gražu nėra idealu, palyginti su normaliais žmogaus plaučiais (apie 5–10 kPa). Todėl būtina sukurti naują medžiagą, kuri atitiktų tikrų žmogaus plaučių mechanines ir radiologines savybes.
Hidrogeliai plačiai naudojami audinių inžinerijoje. Jų struktūra ir savybės panašios į tarpląstelinės matricos (ECM) ir yra lengvai reguliuojamos. Šiame tyrime grynas natrio alginatas buvo pasirinktas kaip biomedžiaga putoms gaminti. Alginato hidrogeliai yra biologiškai suderinami ir plačiai naudojami audinių inžinerijoje dėl savo reguliuojamų mechaninių savybių. Natrio alginato elementinė sudėtis (C6H7NaO6)n ir Ca2+ buvimas leidžia koreguoti jo radiologines savybes pagal poreikį. Šis reguliuojamų mechaninių ir radiologinių savybių derinys daro alginato hidrogelius idealius mūsų tyrimui. Žinoma, alginato hidrogeliai taip pat turi apribojimų, ypač ilgalaikio stabilumo modeliuojamų kvėpavimo ciklų metu atžvilgiu. Todėl reikalingi ir tikimasi tolesnių patobulinimų, siekiant pašalinti šiuos apribojimus.
Šiame darbe sukūrėme alginato hidrogelio putplasčio medžiagą, pasižyminčią kontroliuojamomis rho vertėmis, elastingumu ir radiologinėmis savybėmis, panašiomis į žmogaus plaučių audinio. Šis tyrimas pateiks bendrą sprendimą, kaip pagaminti audinių pavidalo fantomus su reguliuojamu elastingumu ir radiologinėmis savybėmis. Medžiagos savybes galima lengvai pritaikyti bet kokiam žmogaus audiniui ir organui.
Hidrogelio putų tikslinis oro ir tūrio santykis buvo apskaičiuotas remiantis žmogaus plaučių HU diapazonu (nuo -600 iki -700). Buvo laikoma, kad putos yra paprastas oro ir sintetinio alginato hidrogelio mišinys. Naudojant paprastą atskirų elementų sudėties taisyklę (\:\mu\:/\rho\:\), galima apskaičiuoti oro tūrio dalį ir susintetinto alginato hidrogelio tūrio santykį.
Alginatinio hidrogelio putos buvo paruoštos naudojant natrio alginatą (dalies Nr. W201502), CaCO3 (dalies Nr. 795445, MW: 100,09) ir GDL (dalies Nr. G4750, MW: 178,14), įsigytus iš „Sigma-Aldrich Company“, Sent Luisas, Misūris. 70 % natrio laurilo eterio sulfatas (SLES 70) buvo įsigytas iš „Renowned Trading LLC“. Putų ruošimo procese buvo naudojamas dejonizuotas vanduo. Natrio alginatas buvo tirpinamas dejonizuotame vandenyje kambario temperatūroje nuolat maišant (600 aps./min.), kol gautas homogeninis geltonas permatomas tirpalas. CaCO3 kartu su GDL buvo naudojamas kaip Ca2+ šaltinis želatinizacijos procesui inicijuoti. SLES 70 buvo naudojamas kaip paviršiaus aktyvioji medžiaga, kad hidrogelio viduje susidarytų porėta struktūra. Alginato koncentracija buvo palaikoma 5 %, o Ca2+:-COOH molinis santykis – 0,18. Putų ruošimo metu CaCO3:GDL molinis santykis taip pat buvo palaikomas ties 0,5, kad būtų palaikomas neutralus pH. Ši vertė yra 26. Į visus mėginius buvo įpilta 2 tūrio % SLES 70. Tirpalo ir oro maišymo santykiui kontroliuoti buvo naudojama menzūra su dangteliu. Bendras menzūros tūris buvo 140 ml. Remiantis teoriniais skaičiavimo rezultatais, į menzūrą buvo įpilta skirtingi mišinio tūriai (50 ml, 100 ml, 110 ml), kad būtų galima sumaišyti su oru. Mėginys, kuriame buvo 50 ml mišinio, buvo suprojektuotas taip, kad maišytųsi su pakankamu oro kiekiu, o kitų dviejų mėginių oro tūrio santykis buvo kontroliuojamas. Pirmiausia į alginato tirpalą buvo įpilta SLES 70 ir maišoma elektrine maišykle, kol visiškai susimaišė. Tada į mišinį buvo įpilta CaCO3 suspensija ir nuolat maišoma, kol mišinys visiškai susimaišė, kai jo spalva pasikeitė į baltą. Galiausiai į mišinį buvo įpilta GDL tirpalo, kad prasidėtų želatinizacijos procesas, ir viso proceso metu buvo maišoma mechaniškai. Mėginio, kuriame buvo 50 ml mišinio, mechaninis maišymas buvo sustabdytas, kai mišinio tūris nustojo kisti. Mėginių, kuriuose buvo 100 ml ir 110 ml mišinio, mechaninis maišymas buvo sustabdytas, kai mišinys užpildė stiklinę. Taip pat bandėme paruošti hidrogelio putas, kurių tūris yra nuo 50 ml iki 100 ml. Tačiau buvo pastebėtas putų struktūrinis nestabilumas, nes jos svyravo tarp visiško oro maišymosi būsenos ir oro tūrio reguliavimo būsenos, todėl tūrio valdymas buvo nenuoseklus. Šis nestabilumas į skaičiavimus įnešė neapibrėžtumo, todėl šis tūrio diapazonas į šį tyrimą nebuvo įtrauktas.
Hidrogelio putų tankis (\:\rho\:\) apskaičiuojamas matuojant hidrogelio putų mėginio masę (\:m\) ir tūrį (\:V\).
Hidrogelio putų optiniai mikroskopiniai vaizdai buvo gauti naudojant „Zeiss Axio Observer A1“ kamerą. Remiantis gautais vaizdais, naudojant „ImageJ“ programinę įrangą buvo apskaičiuotas porų skaičius ir dydžių pasiskirstymas mėginyje tam tikroje srityje. Porų forma laikoma apskrita.
Norint ištirti alginato hidrogelio putų mechanines savybes, buvo atlikti vienaašiai gniuždymo bandymai, naudojant TESTRESOURCES 100 serijos mašiną. Mėginiai buvo supjaustyti į stačiakampius blokus, o blokų matmenys buvo išmatuoti, kad būtų galima apskaičiuoti įtempius ir deformacijas. Skersinės galvutės greitis buvo nustatytas 10 mm/min. Kiekvienam mėginiui buvo išbandyti trys mėginiai, o pagal rezultatus buvo apskaičiuotas vidurkis ir standartinis nuokrypis. Šiame tyrime daugiausia dėmesio skirta alginato hidrogelio putų gniuždymo mechaninėms savybėms, nes plaučių audinys tam tikrame kvėpavimo ciklo etape yra veikiamas gniuždymo jėgų. Žinoma, ištempiamumas yra labai svarbus, ypač siekiant atspindėti visą plaučių audinio dinaminį elgesį, ir tai bus tiriama būsimuose tyrimuose.
Paruošti hidrogelio putplasčio mėginiai buvo nuskaityti dviejų kanalų kompiuterinės tomografijos (KT) skaitytuvu „Siemens SOMATOM Drive“. Nustatyti šie skenavimo parametrai: 40 mAs, 120 kVp ir 1 mm pjūvio storis. Gauti DICOM failai buvo analizuojami naudojant „MicroDicom DICOM Viewer“ programinę įrangą, siekiant išanalizuoti kiekvieno mėginio 5 skerspjūvių HU vertes. KT gautos HU vertės buvo palygintos su teoriniais skaičiavimais, pagrįstais mėginių tankio duomenimis.
Šio tyrimo tikslas – iš esmės pakeisti individualių organų modelių ir dirbtinių biologinių audinių gamybą, sukuriant minkštas medžiagas. Medžiagų, kurių mechaninės ir radiologinės savybės atitiktų žmogaus plaučių darbo mechaniką, kūrimas yra svarbus tikslinėms reikmėms, tokioms kaip medicininio mokymo gerinimas, chirurginio planavimo ir spindulinės terapijos planavimas. 1A paveiksle pavaizdavome minkštų medžiagų, tariamai naudojamų žmogaus plaučių modeliams gaminti, mechaninių ir radiologinių savybių neatitikimą. Iki šiol buvo sukurtos medžiagos, pasižyminčios norimomis radiologinėmis savybėmis, tačiau jų mechaninės savybės neatitinka norimų reikalavimų. Poliuretano putos ir guma yra plačiausiai naudojamos medžiagos deformuojamiems žmogaus plaučių modeliams gaminti. Poliuretano putų mechaninės savybės (Youngo modulis, YM) paprastai yra 10–100 kartų didesnės nei įprasto žmogaus plaučių audinio. Medžiagos, pasižyminčios norimomis mechaninėmis ir radiologinėmis savybėmis, dar nėra žinomos.
(A) Scheminis įvairių minkštų medžiagų savybių pavaizdavimas ir palyginimas su žmogaus plaučiais pagal tankį, Youngo modulį ir radiologines savybes (HU). (B) 5 % koncentracijos ir 0,18 Ca2+:-COOH molinio santykio alginato hidrogelio (\:\mu\:/\rho\:\) rentgeno spindulių difrakcijos diagrama. (C) Oro tūrio santykių diapazonas hidrogelio putose. (D) Scheminis alginato hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais pavaizdavimas.
Buvo apskaičiuota alginato hidrogelių, kurių koncentracija yra 5 %, o Ca2+:-COOH molinis santykis yra 0,18, elementinė sudėtis, o rezultatai pateikti 3 lentelėje. Pagal sudėties taisyklę, pateiktą ankstesnėje formulėje (5), alginato hidrogelio masės silpninimo koeficientas (\:\:\mu\:/\rho\:\) gaunamas taip, kaip parodyta 1B paveiksle.
Oro ir vandens \(\:\mu\:/\rho\:\) vertės buvo gautos tiesiai iš NIST 12612 standartų duomenų bazės. Taigi, 1C paveiksle parodyti apskaičiuoti oro tūrio santykiai hidrogelio putose, kurių HU ekvivalento vertės žmogaus plaučiuose yra nuo -600 iki -700. Teoriškai apskaičiuotas oro tūrio santykis yra stabilus 60–70 % ribose energijos diapazone nuo 1 × 10−3 iki 2 × 101 MeV, o tai rodo gerą hidrogelio putų taikymo potencialą tolesniuose gamybos procesuose.
1D paveiksle parodytas paruoštas alginato hidrogelio putplasčio pavyzdys. Visi mėginiai buvo supjaustyti kubeliais, kurių briaunos ilgis buvo 12,7 mm. Rezultatai parodė, kad susidarė homogeninės, trimatės, stabilios hidrogelio putos. Nepriklausomai nuo oro tūrio santykio, reikšmingų hidrogelio putų išvaizdos skirtumų nepastebėta. Savarankiškas hidrogelio putų pobūdis rodo, kad hidrogelyje susidaręs tinklas yra pakankamai stiprus, kad išlaikytų pačių putų svorį. Be nedidelio vandens nuotėkio iš putų, putos taip pat demonstravo trumpalaikį stabilumą kelias savaites.
Išmatavus putplasčio mėginio masę ir tūrį, buvo apskaičiuotas paruošto hidrogelio putplasčio tankis \(\:\rho\:\), o rezultatai pateikti 4 lentelėje. Rezultatai rodo \(\:\rho\:\) priklausomybę nuo oro tūrio santykio. Kai su 50 ml mėginio sumaišoma pakankamai oro, tankis tampa mažiausias ir siekia 0,482 g/cm3. Mažėjant sumaišyto oro kiekiui, tankis padidėja iki 0,685 g/cm3. Didžiausia p reikšmė tarp 50 ml, 100 ml ir 110 ml grupių buvo 0,004 < 0,05, o tai rodo rezultatų statistinį reikšmingumą.
Teorinė \(\:\rho\:\) vertė taip pat apskaičiuojama naudojant kontroliuojamą oro tūrio santykį. Išmatuoti rezultatai rodo, kad \(\:\rho\:\) yra 0,1 g/cm³ mažesnis už teorinę vertę. Šį skirtumą galima paaiškinti vidiniu įtempimu, susidarančiu hidrogelyje želatinizacijos proceso metu, kuris sukelia brinkimą ir tokiu būdu sumažina \(\:\rho\:\). Tai dar kartą patvirtino kai kurie tarpai hidrogelio putplasčio viduje KT vaizduose, parodytuose 2 paveiksle (A, B ir C).
Hidrogelio putų su skirtingu oro tūriu (A) 50, (B) 100 ir (C) 110 optinės mikroskopijos vaizdai. Ląstelių skaičius ir porų dydžio pasiskirstymas alginato hidrogelio putų mėginiuose (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3 paveiksle (A, B, C) pateikti hidrogelio putplasčio mėginių su skirtingais oro tūrio santykiais optinio mikroskopo vaizdai. Rezultatai rodo hidrogelio putplasčio optinę struktūrą, aiškiai parodant skirtingo skersmens porų vaizdus. Porų skaičiaus ir skersmens pasiskirstymas buvo apskaičiuotas naudojant „ImageJ“. Kiekvienam mėginiui buvo padaryti šeši vaizdai, kiekvieno vaizdo dydis buvo 1125,27 μm × 843,96 μm, o bendras analizuojamas kiekvieno mėginio plotas buvo 5,7 mm².
(A) Alginato hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais gniuždymo įtempio ir deformacijos elgsena. (B) Eksponentinis pritaikymas. (C) Hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais gniuždymo E0. (D) Alginato hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais ribinis gniuždymo įtempis ir deformacija.
3 paveiksle (D, E, F) matyti, kad porų dydžio pasiskirstymas yra gana vienodas – nuo ​​dešimčių mikrometrų iki maždaug 500 mikrometrų. Porų dydis iš esmės yra vienodas ir šiek tiek mažėja mažėjant oro tūriui. Remiantis bandymų duomenimis, 50 ml mėginio vidutinis porų dydis yra 192,16 μm, mediana – 184,51 μm, o porų skaičius ploto vienete – 103; 100 ml mėginio vidutinis porų dydis yra 156,62 μm, mediana – 151,07 μm, o porų skaičius ploto vienete – 109; 110 ml mėginio atitinkamos vertės yra atitinkamai 163,07 μm, 150,29 μm ir 115. Duomenys rodo, kad didesnės poros turi didesnę įtaką vidutinio porų dydžio statistiniams rezultatams, o medianinis porų dydis gali geriau atspindėti porų dydžio kitimo tendenciją. Mėginio tūriui didėjant nuo 50 ml iki 110 ml, didėja ir porų skaičius. Apibendrinant statistinius vidutinio porų skersmens ir porų skaičiaus rezultatus, galima daryti išvadą, kad didėjant tūriui, mėginio viduje susidaro daugiau mažesnio dydžio porų.
Mechaninių bandymų duomenys pateikti 4A ir 4D paveiksluose. 4A paveiksle parodyta paruoštų hidrogelio putų gniuždymo įtempio ir deformacijos elgsena esant skirtingiems oro tūrio santykiams. Rezultatai rodo, kad visi mėginiai pasižymi panašia netiesine įtempio ir deformacijos elgsena. Kiekvieno mėginio įtempis didėja greičiau didėjant deformacijai. Hidrogelio putų gniuždymo įtempio ir deformacijos elgsenai buvo pritaikyta eksponentinė kreivė. 4B paveiksle pateikti rezultatai, gauti pritaikius eksponentinę funkciją kaip aproksimuojantį modelį hidrogelio putoms.
Taip pat buvo tirtas hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais gniuždymo modulis (E0). Panašiai kaip ir hidrogelių analizėje, gniuždymo Youngo modulis buvo tirtas 20 % pradinės deformacijos diapazone. Gniuždymo bandymų rezultatai pateikti 4C paveiksle. 4C paveiksle pateikti rezultatai rodo, kad oro tūrio santykiui mažėjant nuo 50 iki 110 mėginio, alginato hidrogelio putų gniuždymo Youngo modulis E0 padidėja nuo 10,86 kPa iki 18 kPa.
Panašiai buvo gautos visos hidrogelio putų įtempių ir deformacijų kreivės, taip pat ribiniai gniuždymo įtempiai ir deformacijos vertės. 4D paveiksle parodytas alginato hidrogelio putų ribinis gniuždymo įtempis ir deformacija. Kiekvienas duomenų taškas yra trijų bandymų rezultatų vidurkis. Rezultatai rodo, kad ribinis gniuždymo įtempis padidėja nuo 9,84 kPa iki 17,58 kPa mažėjant dujų kiekiui. Ribinė deformacija išlieka stabili ir siekia apie 38 %.
2 paveiksle (A, B ir C) pateikti hidrogelio putų su skirtingais oro tūrio santykiais, atitinkančių atitinkamai 50, 100 ir 110 pavyzdžius, KT vaizdai. Vaizdai rodo, kad susidariusios hidrogelio putos yra beveik homogeninės. 100 ir 110 mėginiuose pastebėtas nedidelis skaičius tarpų. Šių tarpų susidarymas gali būti dėl vidinių įtempių, susidariusių hidrogelyje želatinizacijos proceso metu. Apskaičiavome HU vertes 5 kiekvieno mėginio skerspjūviams ir pateikėme jas 5 lentelėje kartu su atitinkamais teoriniais skaičiavimo rezultatais.
5 lentelėje parodyta, kad mėginiai su skirtingais oro tūrio santykiais gavo skirtingas HU vertes. Didžiausia p vertė tarp 50 ml, 100 ml ir 110 ml grupių buvo 0,004 < 0,05, o tai rodo rezultatų statistinį reikšmingumą. Iš trijų tirtų mėginių mėginys su 50 ml mišinio turėjo radiologines savybes, kurios buvo artimiausios žmogaus plaučių savybėms. Paskutiniame 5 lentelės stulpelyje pateiktas rezultatas, gautas teoriškai skaičiuojant pagal išmatuotą putojimo vertę \(\:\rho\:\). Palyginus išmatuotus duomenis su teoriniais rezultatais, galima pastebėti, kad KT skenavimo metu gautos HU vertės paprastai yra artimos teoriniams rezultatams, o tai savo ruožtu patvirtina oro tūrio santykio skaičiavimo rezultatus, pateiktus 1C paveiksle.
Pagrindinis šio tyrimo tikslas – sukurti medžiagą, kurios mechaninės ir radiologinės savybės būtų panašios į žmogaus plaučių savybes. Šis tikslas buvo pasiektas sukuriant hidrogelio pagrindu pagamintą medžiagą su pritaikytomis audinių ekvivalentiškomis mechaninėmis ir radiologinėmis savybėmis, kurios būtų kuo artimesnės žmogaus plaučių savybėms. Remiantis teoriniais skaičiavimais, mechaniškai maišant natrio alginato tirpalą, CaCO3, GDL ir SLES 70, buvo paruoštos hidrogelio putos su skirtingais oro tūrio santykiais. Morfologinė analizė parodė, kad susidarė homogeninės trimatės stabilios hidrogelio putos. Keičiant oro tūrio santykį, putų tankį ir poringumą galima keisti savo nuožiūra. Didėjant oro tūrio kiekiui, porų dydis šiek tiek sumažėja, o porų skaičius didėja. Alginato hidrogelio putų mechaninėms savybėms analizuoti buvo atlikti suspaudimo bandymai. Rezultatai parodė, kad suspaudimo bandymų metu gautas suspaudimo modulis (E0) yra idealiame žmogaus plaučiams diapazone. E0 didėja mažėjant oro tūrio santykiui. Paruoštų mėginių radiologinių savybių (HU) vertės buvo gautos remiantis mėginių KT duomenimis ir palygintos su teorinių skaičiavimų rezultatais. Rezultatai buvo palankūs. Išmatuota vertė taip pat artima žmogaus plaučių HU vertei. Rezultatai rodo, kad įmanoma sukurti audinius imituojančias hidrogelio putas su idealiu mechaninių ir radiologinių savybių deriniu, imituojančiu žmogaus plaučių savybes.
Nepaisant daug žadančių rezultatų, dabartinius gamybos metodus reikia patobulinti, kad būtų galima geriau kontroliuoti oro tūrio santykį ir poringumą, kad jie atitiktų teorinių skaičiavimų ir realių žmogaus plaučių prognozes tiek pasauliniu, tiek vietiniu mastu. Dabartinis tyrimas taip pat apsiriboja suspaudimo mechanikos bandymais, o tai riboja fantomo pritaikymo galimybes kvėpavimo ciklo suspaudimo fazėje. Būsimiems tyrimams būtų naudingi tempimo bandymai, taip pat bendras medžiagos mechaninis stabilumas, siekiant įvertinti galimą pritaikymą dinaminės apkrovos sąlygomis. Nepaisant šių apribojimų, šis tyrimas yra pirmas sėkmingas bandymas sujungti radiologines ir mechanines savybes vienoje medžiagoje, kuri imituoja žmogaus plaučius.
Šio tyrimo metu sugeneruotus ir (arba) analizuotus duomenų rinkinius galima gauti iš atitinkamo autoriaus pateikus pagrįstą prašymą. Tiek eksperimentus, tiek duomenų rinkinius galima atkartoti.
Song, G. ir kt. Naujos nanotechnologijos ir pažangios medžiagos vėžio spindulinei terapijai. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ ir kt. AAPM 76a darbo grupės ataskaita apie kvėpavimo judesių valdymą spindulinėje onkologijoje. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. ir Brock, KK. Sąsajos ir medžiagų netiesiškumo modeliavimas žmogaus plaučiuose. „Physics and Medicine and Biology“ 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. ir kt. Naviko tipo plaučių vėžio modelis, sukurtas naudojant 3D biospausdinimą. 3. Biotechnologija. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. ir kt. Plaučių deformacijos modeliavimas: metodas, apjungiantis deformuojamų vaizdų registravimo metodus ir erdvėje kintantį Youngo modulio įvertinimą. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF ir kt. Gyvųjų audinių standumas ir jo įtaka audinių inžinerijai. „Nature Reviews Materials and Environment“ 5, 351–370 (2020).