Дзякуй за наведванне сайта nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць апошнюю версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Акрамя таго, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, гэты сайт не будзе ўтрымліваць стылі або JavaScript.
Рух органаў і тканак можа прывесці да памылак у пазіцыянаванні рэнтгенаўскіх прамянёў падчас прамянёвай тэрапіі. Такім чынам, для імітацыі руху органаў з мэтай аптымізацыі прамянёвай тэрапіі неабходныя матэрыялы з тканінаэквівалентнымі механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі. Аднак распрацоўка такіх матэрыялаў застаецца праблемай. Альгінатныя гідрагелі маюць уласцівасці, падобныя да ўласцівасцей пазаклеткавага матрыкса, што робіць іх перспектыўнымі ў якасці тканінаэквівалентных матэрыялаў. У гэтым даследаванні альгінатныя гідрагелевыя пены з жаданымі механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі былі сінтэзаваны шляхам вызвалення Ca2+ in situ. Суадносіны паветра да аб'ёму старанна кантраляваліся для атрымання гідрагелевых пенаў з вызначанымі механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі. Была ахарактарызавана макра- і мікрамарфалогія матэрыялаў, а таксама вывучана паводзіны гідрагелевых пенаў пры сціску. Радыелагічныя ўласцівасці былі ацэнены тэарэтычна і правераны эксперыментальна з дапамогай камп'ютэрнай тамаграфіі. Гэта даследаванне пралівае святло на будучую распрацоўку тканінаэквівалентных матэрыялаў, якія могуць быць выкарыстаны для аптымізацыі дозы выпраменьвання і кантролю якасці падчас прамянёвай тэрапіі.
Прамянёвая тэрапія — распаўсюджаны метад лячэння раку1. Рух органаў і тканак часта прыводзіць да памылак у пазіцыянаванні рэнтгенаўскіх прамянёў падчас прамянёвай тэрапіі2, што можа прывесці да недастатковага ўздзеяння на пухліну і празмернага ўздзеяння непатрэбнага выпраменьвання на навакольныя здаровыя клеткі. Здольнасць прагназаваць рух органаў і тканак мае вырашальнае значэнне для мінімізацыі памылак лакалізацыі пухліны. Гэта даследаванне было сканцэнтравана на лёгкіх, паколькі яны падвяргаюцца значным дэфармацыям і рухам, калі пацыенты дыхаюць падчас прамянёвай тэрапіі. Для мадэлявання руху лёгкіх чалавека былі распрацаваны і ўжыты розныя мадэлі канчатковых элементаў3,4,5. Аднак органы і тканкі чалавека маюць складаную геаметрыю і вельмі залежаць ад пацыента. Такім чынам, матэрыялы з тканінаэквівалентнымі ўласцівасцямі вельмі карысныя для распрацоўкі фізічных мадэляў для праверкі тэарэтычных мадэляў, паляпшэння медыцынскага лячэння і для мэт медыцынскай адукацыі.
Распрацоўка матэрыялаў, якія імітуюць мяккія тканіны, для дасягнення складанай знешняй і ўнутранай структурнай геаметрыі, прыцягнула вялікую ўвагу, паколькі іх уласцівыя механічныя супярэчнасці могуць прывесці да збояў у мэтавых ужываннях6,7. Мадэляванне складанай біямеханікі лёгачнай тканіны, якая спалучае надзвычайную мяккасць, эластычнасць і структурную парыстасць, стварае значную праблему пры распрацоўцы мадэляў, якія дакладна прайграваюць лёгкія чалавека. Інтэграцыя і супастаўленне механічных і радыялагічных уласцівасцей маюць вырашальнае значэнне для эфектыўнай працы мадэляў лёгкіх пры тэрапеўтычных умяшаннях. Адытыўная вытворчасць даказала сваю эфектыўнасць пры распрацоўцы мадэляў, індывідуальных для пацыента, што дазваляе хутка ствараць прататыпы складаных канструкцый. Шын і інш.8 распрацавалі прайгравальную, дэфармаваную мадэль лёгкіх з дыхальнымі шляхамі, надрукаванымі на 3D-прынтары. Хаселаар і інш.9 распрацавалі фантом, вельмі падобны на рэальных пацыентаў, для ацэнкі якасці выявы і метадаў праверкі становішча пры прамянёвай тэрапіі. Хонг і інш.10 распрацавалі мадэль КТ грудной клеткі з выкарыстаннем 3D-друку і тэхналогіі сіліконавага ліцця для прайгравання інтэнсіўнасці КТ розных паражэнняў лёгкіх з мэтай ацэнкі дакладнасці колькаснага вызначэння. Аднак гэтыя прататыпы часта вырабляюцца з матэрыялаў, эфектыўныя ўласцівасці якіх вельмі адрозніваюцца ад уласцівасцей лёгачнай тканіны11.
У цяперашні час большасць лёгачных фантома вырабляюцца з сілікону або поліўрэтанавай пены, якія не адпавядаюць механічным і радыялагічным уласцівасцям рэальнай лёгачнай парэнхімы.12,13 Альгінатныя гідрагелі біясумяшчальныя і шырока выкарыстоўваюцца ў тканіннай інжынерыі дзякуючы сваім наладжвальным механічным уласцівасцям.14 Аднак узнаўленне ультрамяккай, падобнай на пену кансістэнцыі, неабходнай для лёгачнага фантома, які дакладна імітуе эластычнасць і структуру напаўнення лёгачнай тканіны, застаецца эксперыментальнай задачай.
У гэтым даследаванні меркавалася, што лёгачная тканіна з'яўляецца аднастайным эластычным матэрыялам. Паведамляецца, што шчыльнасць лёгачнай тканіны чалавека (\(\:\rho\:\)) складае 1,06 г/см3, а шчыльнасць напаўненага лёгкага — 0,26 г/см315. З выкарыстаннем розных эксперыментальных метадаў быў атрыманы шырокі дыяпазон значэнняў модуля Юнга (MY) лёгачнай тканіны. Лай-Фук і інш.16 вымералі YM лёгкіх чалавека пры раўнамерным напаўненні, які складаў 0,42–6,72 кПа. Гос і інш.17 выкарысталі магнітна-рэзанансную эластаграфію і паведамілі пра YM 2,17 кПа. Лю і інш.18 паведамілі пра непасрэдна вымераны YM 0,03–57,2 кПа. Ілегбусі і інш.19 ацанілі YM як 0,1–2,7 кПа на аснове дадзеных 4D КТ, атрыманых ад асобных пацыентаў.
Для радыялагічных уласцівасцей лёгкіх выкарыстоўваецца некалькі параметраў, якія апісваюць паводзіны ўзаемадзеяння лёгачнай тканіны з рэнтгенаўскім выпраменьваннем, у тым ліку элементны склад, электронная шчыльнасць (\(\:{\rho\:}_{e}\)), эфектыўны атамны нумар (\(\:{Z}_{eff}\)), сярэдняя энергія ўзбуджэння (\(\:I\)), каэфіцыент аслаблення масы (\(\:\mu\:/\rho\:\)) і адзінка Хаўнсфілда (HU), якая непасрэдна звязана з \(\:\mu\:/\rho\:\).
Электронная шчыльнасць \(\:{\rho\:}_{e}\) вызначаецца як колькасць электронаў на адзінку аб'ёму і разлічваецца наступным чынам:
дзе ρ — шчыльнасць матэрыялу ў г/см³, N₁_{A} — пастаянная Авагадра, w₁_{i} — масавая доля, Z₁_{i} — атамны нумар, A₁_{i} — атамная маса i-га элемента.
Атамны нумар непасрэдна звязаны з характарам узаемадзеяння выпраменьвання ўнутры матэрыялу. Для злучэнняў і сумесяў, якія змяшчаюць некалькі элементаў (напрыклад, тканіны), неабходна разлічыць эфектыўны атамны нумар \(\:{Z}_{eff}\). Формула была прапанавана Мёрці і інш.20:
Сярэдняя энергія ўзбуджэння \(\:I\) апісвае, наколькі лёгка мэтавы матэрыял паглынае кінетычную энергію пранікаючых часціц. Яна апісвае толькі ўласцівасці мэтавага матэрыялу і не мае нічога агульнага з уласцівасцямі часціц. \(\:I\) можна разлічыць, ужываючы правіла адытыўнасці Брэга:
Каэфіцыент аслаблення масы (μ/ρ) апісвае пранікненне і вызваленне энергіі фатонаў у матэрыяле мішэні. Яго можна разлічыць па наступнай формуле:
Дзе \(\:x\) — таўшчыня матэрыялу, \(\:{I}_{0}\) — інтэнсіўнасць падаючага святла, а \(\:I\) — інтэнсіўнасць фатонаў пасля пранікнення ў матэрыял. Дадзеныя \(\:\mu\:/\rho\:\) можна атрымаць непасрэдна з базы дадзеных стандартаў NIST 12621. Значэнні \(\:\mu\:/\rho\:\) для сумесяў і злучэнняў можна атрымаць з дапамогай правіла адытыўнасці наступным чынам:
HU — гэта стандартызаваная безразмерная адзінка вымярэння радыёшчыльнасці пры інтэрпрэтацыі дадзеных камп'ютэрнай тамаграфіі (КТ), якая лінейна пераўтвараецца з вымеранага каэфіцыента аслаблення \(\:\m\:\). Яна вызначаецца як:
дзе \(\:{\mu\:}_{water}\) — каэфіцыент аслаблення вады, а \(\:{\mu\:}_{air}\) — каэфіцыент аслаблення паветра. Такім чынам, з формулы (6) мы бачым, што значэнне HU вады роўна 0, а значэнне HU паветра — -1000. Значэнне HU для лёгкіх чалавека вагаецца ад -600 да -70022.
Было распрацавана некалькі матэрыялаў, эквівалентных тканінам. Грыфіт і інш.23 распрацавалі мадэль тканіннага эквівалента тулава чалавека, вырабленую з поліўрэтану (ПУ), да якога былі дададзены розныя канцэнтрацыі карбанату кальцыя (CaCO3) для мадэлявання лінейных каэфіцыентаў аслаблення розных органаў чалавека, у тым ліку лёгкіх чалавека, і мадэль была названа Грыфіт. Тэйлар24 прадставіў другую мадэль, эквівалентную тканіне лёгкіх, распрацаваную Нацыянальнай лабараторыяй імя Лоўрэнса Лівермора (LLNL), пад назвай LLLL1. Траўб і інш.25 распрацавалі новы заменнік тканіны лёгкіх з выкарыстаннем Foamex XRS-272, які змяшчае 5,25% CaCO3, у якасці ўзмацняльніка прадукцыйнасці, які быў названы ALT2. У табліцах 1 і 2 паказана параўнанне каэфіцыентаў аслаблення \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) і масавых каэфіцыентаў аслаблення для лёгкіх чалавека (ICRU-44) і вышэйзгаданых мадэляў тканінных эквівалентаў.
Нягледзячы на ​​выдатныя радыялагічныя ўласцівасці, амаль усе матэрыялы для фантома вырабляюцца з пенаполістыролу, што азначае, што механічныя ўласцівасці гэтых матэрыялаў не могуць наблізіцца да ўласцівасцей лёгкіх чалавека. Модуль Юнга (YM) поліўрэтанавай пены складае каля 500 кПа, што далёка ад ідэальнага ў параўнанні са звычайнымі лёгкімі чалавека (каля 5-10 кПа). Таму неабходна распрацаваць новы матэрыял, які зможа адпавядаць механічным і радыялагічным характарыстыкам рэальных лёгкіх чалавека.
Гідрагелі шырока выкарыстоўваюцца ў тканіннай інжынерыі. Іх структура і ўласцівасці падобныя да пазаклеткавага матрыкса (ECM) і лёгка рэгулююцца. У гэтым даследаванні чысты альгінат натрыю быў абраны ў якасці біяматэрыялу для падрыхтоўкі пен. Альгінатныя гідрагелі біясумяшчальныя і шырока выкарыстоўваюцца ў тканіннай інжынерыі дзякуючы сваім рэгуляваным механічным уласцівасцям. Элементны склад альгінату натрыю (C6H7NaO6)n і наяўнасць Ca2+ дазваляюць рэгуляваць яго радыялагічныя ўласцівасці па меры неабходнасці. Гэта спалучэнне рэгуляваных механічных і радыялагічных уласцівасцей робіць альгінатныя гідрагелі ідэальнымі для нашага даследавання. Вядома, альгінатныя гідрагелі таксама маюць абмежаванні, асабліва ў плане доўгатэрміновай стабільнасці падчас мадэляваных дыхальных цыклаў. Таму неабходныя далейшыя ўдасканаленні, якія чакаюцца ў будучых даследаваннях для ліквідацыі гэтых абмежаванняў.
У гэтай працы мы распрацавалі альгінатны гідрагелевы пенапластавы матэрыял з кантраляванымі значэннямі роўных адценняў, эластычнасцю і радыялагічнымі ўласцівасцямі, падобнымі да ўласцівасцей лёгачнай тканіны чалавека. Гэта даследаванне прапануе агульнае рашэнне для стварэння тканепадобных фантома з наладжвальнымі пругкімі і радыялагічнымі ўласцівасцямі. Уласцівасці матэрыялу можна лёгка адаптаваць да любой тканіны і органа чалавека.
Мэтавае суадносіны паветра да аб'ёму гідрагелевай пены было разлічана на аснове дыяпазону HU лёгкіх чалавека (ад -600 да -700). Меркавалася, што пена ўяўляе сабой простую сумесь паветра і сінтэтычнага альгінатнага гідрагеля. Выкарыстоўваючы простае правіла складання асобных элементаў (\:\μ\:/\rho\:\), можна было разлічыць аб'ёмную долю паветра і суадносіны аб'ёмаў сінтэзаванага альгінатнага гідрагеля.
Гідрагелевыя пены альгіната былі падрыхтаваны з выкарыстаннем альгінату натрыю (нумар дэталі W201502), CaCO3 (нумар дэталі 795445, MW: 100,09) і GDL (нумар дэталі G4750, MW: 178,14), набытых у кампаніі Sigma-Aldrich Company, Сэнт-Луіс, штат Місуры. 70% лаўрылсульфат натрыю (SLES 70) быў набыты ў Renowned Trading LLC. У працэсе падрыхтоўкі пены выкарыстоўвалася дэіянізаваная вада. Альгінат натрыю растваралі ў дэіянізаванай вадзе пры пакаёвай тэмпературы пры пастаянным памешванні (600 аб/мін) да атрымання аднароднага жоўтага напаўпразрыстага раствора. CaCO3 у спалучэнні з GDL выкарыстоўваўся ў якасці крыніцы Ca2+ для ініцыяцыі гелеўтварэння. SLES 70 выкарыстоўваўся ў якасці павярхоўна-актыўнага рэчыва для ўтварэння сітаватай структуры ўнутры гідрагеля. Канцэнтрацыя альгінату падтрымлівалася на ўзроўні 5%, а мольнае суадносіны Ca2+:-COOH - на ўзроўні 0,18. Малярнае суадносіны CaCO3:GDL таксама падтрымлівалася на ўзроўні 0,5 падчас падрыхтоўкі пены для падтрымання нейтральнага pH. Значэнне складае 26,2% па аб'ёме SLES 70 дадаваўся ва ўсе ўзоры. Для кантролю суадносін раствора і паветра выкарыстоўваўся шкляны кубак з вечкам. Агульны аб'ём шклянкі склаў 140 мл. Зыходзячы з вынікаў тэарэтычных разлікаў, у шклянку дадаваліся розныя аб'ёмы сумесі (50 мл, 100 мл, 110 мл) для змешвання з паветрам. Узор, які змяшчае 50 мл сумесі, быў разлічаны на змешванне з дастатковай колькасцю паветра, у той час як суадносіны аб'ёмаў паветра ў двух іншых узорах кантралявалася. Спачатку ў раствор альгінату дадаваўся SLES 70 і змешваўся электрычнай мяшалкай да поўнага змешвання. Затым у сумесь дадаваўся суспензія CaCO3 і бесперапынна змешваўся да поўнага змешвання сумесі, калі яе колер змяняўся на белы. Нарэшце, у сумесь дадаваўся раствор GDL для ініцыяцыі гелеўтварэння, і механічнае перамешванне падтрымлівалася на працягу ўсяго працэсу. Для ўзору, які змяшчаў 50 мл сумесі, механічнае перамешванне спынялася, калі аб'ём сумесі пераставаў змяняцца. Для ўзораў, якія змяшчалі 100 мл і 110 мл сумесі, механічнае перамешванне спынялася, калі сумесь запоўніла мензурку. Мы таксама спрабавалі падрыхтаваць гідрагелевыя пены аб'ёмам ад 50 мл да 100 мл. Аднак назіралася структурная нестабільнасць пены, паколькі яна вагалася паміж станам поўнага змешвання паветра і станам кантролю аб'ёму паветра, што прыводзіла да непаслядоўнага кантролю аб'ёму. Гэтая нестабільнасць уносіла нявызначанасць у разлікі, і таму гэты дыяпазон аб'ёмаў не быў уключаны ў гэта даследаванне.
Шчыльнасць гідрагелевай пены (ρ) разлічваецца шляхам вымярэння масы (m) і аб'ёму (V) узору гідрагелевай пены.
Аптычныя мікраскапічныя выявы гідрагелевых пен былі атрыманы з дапамогай камеры Zeiss Axio Observer A1. Для разліку колькасці і размеркавання памераў пор ва ўзоры ў пэўнай вобласці на аснове атрыманых выяў выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне ImageJ. Форма пор лічыцца круглай.
Для вывучэння механічных уласцівасцей пен альгінатнага гідрагеля былі праведзены выпрабаванні на аднавосевае сцісканне з выкарыстаннем машыны TESTRESOURCES серыі 100. Узоры былі разрэзаны на прастакутныя блокі, і памеры блокаў былі вымераны для разліку напружанняў і дэфармацый. Хуткасць траверсы была ўстаноўлена на ўзроўні 10 мм/мін. Для кожнага ўзору былі пратэставаны тры ўзоры, і па выніках былі разлічаны сярэдняе значэнне і стандартнае адхіленне. Гэта даследаванне было сканцэнтравана на механічных уласцівасцях сціскання пен альгінатнага гідрагеля, паколькі лёгачная тканіна падвяргаецца сціскальным сілам на пэўным этапе дыхальнага цыклу. Расцяжнасць, безумоўна, мае вырашальнае значэнне, асабліва для адлюстравання поўнай дынамічнай паводзін лёгачнай тканіны, і гэта будзе даследавана ў будучых даследаваннях.
Падрыхтаваныя ўзоры гідрагелевай пены былі сканаваны на двухканальным камп'ютарным тамаграфічным сканеры Siemens SOMATOM Drive. Параметры сканавання былі ўстаноўлены наступнымі: 40 мАс, 120 кВп і таўшчыня зрэзу 1 мм. Атрыманыя DICOM-файлы былі прааналізаваны з дапамогай праграмнага забеспячэння MicroDicom DICOM Viewer для аналізу значэнняў HU 5 папярочных сячэнняў кожнага ўзору. Значэнні HU, атрыманыя з дапамогай КТ, былі параўнаны з тэарэтычнымі разлікамі, заснаванымі на дадзеных аб шчыльнасці ўзораў.
Мэта гэтага даследавання — зрабіць рэвалюцыю ў стварэнні мадэляў асобных органаў і штучных біялагічных тканін шляхам распрацоўкі мяккіх матэрыялаў. Распрацоўка матэрыялаў з механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі, якія адпавядаюць механіцы працы лёгкіх чалавека, важная для мэтавых ужыванняў, такіх як паляпшэнне медыцынскай падрыхтоўкі, хірургічнае планаванне і планаванне прамянёвай тэрапіі. На малюнку 1А мы паказалі разыходжанне паміж механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі мяккіх матэрыялаў, якія, як мяркуецца, выкарыстоўваюцца для вырабу мадэляў лёгкіх чалавека. На сённяшні дзень распрацаваны матэрыялы, якія валодаюць жаданымі радыялагічнымі ўласцівасцямі, але іх механічныя ўласцівасці не адпавядаюць зададзеным патрабаванням. Пенаполіурэтан і гума з'яўляюцца найбольш шырока выкарыстоўванымі матэрыяламі для вырабу дэфармаваных мадэляў лёгкіх чалавека. Механічныя ўласцівасці пенаполіурэтану (модуль Юнга, YM) звычайна ў 10-100 разоў вышэйшыя, чым у нармальнай тканіны лёгкіх чалавека. Матэрыялы, якія валодаюць жаданымі механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі, пакуль невядомыя.
(A) Схематычнае адлюстраванне ўласцівасцей розных мяккіх матэрыялаў і параўнанне з лёгкімі чалавека з пункту гледжання шчыльнасці, модуля Юнга і радыялагічных уласцівасцей (у HU). (B) Рэнтгенаграмная карціна альгінатнага гідрагеля (\:\mu\:/\rho\:\) з канцэнтрацыяй 5% і молярным суадносінамі Ca2+:-COOH 0,18. (C) Дыяпазон суадносін аб'ёмаў паветра ў гідрагелевых пенах. (D) Схематычнае адлюстраванне альгінатных гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра.
Быў разлічаны элементны склад альгінатных гідрагеляў з канцэнтрацыяй 5% і мольным суадносінамі Ca2+:-COOH 0,18, і вынікі паказаны ў Табліцы 3. Згодна з правілам складання ў папярэдняй формуле (5), каэфіцыент згасання масы альгінатнага гідрагеля (\:\:\μ\:/\rho\:\) атрымліваецца, як паказана на Малюнку 1B.
Значэнні \(\:\mu\:/\rho\:\) для паветра і вады былі атрыманы непасрэдна з базы дадзеных стандартаў NIST 12612. Такім чынам, на малюнку 1C паказаны разлічаныя суадносіны аб'ёмаў паветра ў гідрагелевых пенах з эквівалентнымі значэннямі HU ад -600 да -700 для лёгкіх чалавека. Тэарэтычна разлічанае суадносіны аб'ёмаў паветра стабільнае ў межах 60–70% у дыяпазоне энергій ад 1 × 10⁻³ да 2 × 10¹ МэВ, што сведчыць аб добрым патэнцыяле для прымянення гідрагелевай пены ў наступных вытворчых працэсах.
На малюнку 1D паказаны падрыхтаваны ўзор альгінатнай гідрагелевай пены. Усе ўзоры былі нарэзаны кубікамі з даўжынёй рэбра 12,7 мм. Вынікі паказалі, што ўтварылася аднастайная, трохмерна стабільная гідрагелевая пена. Незалежна ад суадносін аб'ёмаў паветра, істотных адрозненняў у знешнім выглядзе гідрагелевых пен не назіралася. Самападтрымлівальны характар ​​гідрагелевай пены сведчыць аб тым, што сетка, якая ўтварылася ўнутры гідрагеля, дастаткова трывалая, каб вытрымаць вагу самой пены. Акрамя невялікай колькасці ўцечкі вады з пены, пена таксама прадэманстравала часовую стабільнасць на працягу некалькіх тыдняў.
Вымераўшы масу і аб'ём узору пены, была разлічана шчыльнасць падрыхтаванай гідрагелевай пены (ρ), і вынікі паказаны ў табліцы 4. Вынікі паказваюць залежнасць (ρ) ад аб'ёмнага суадносін паветра. Калі да 50 мл узору дадаецца дастатковая колькасць паветра, шчыльнасць становіцца найменшай і складае 0,482 г/см3. Па меры памяншэння колькасці змешанага паветра шчыльнасць павялічваецца да 0,685 г/см3. Максімальнае значэнне p паміж групамі 50 мл, 100 мл і 110 мл складала 0,004 < 0,05, што сведчыць аб статыстычнай значнасці вынікаў.
Тэарэтычнае значэнне \(\:\rho\:\) таксама разлічваецца з выкарыстаннем кантраляванага суадносін аб'ёмаў паветра. Вынікі вымярэнняў паказваюць, што \(\:\rho\:\) на 0,1 г/см³ меншае за тэарэтычнае значэнне. Гэтую розніцу можна растлумачыць унутраным напружаннем, якое ўзнікае ў гідрагеле падчас працэсу гелеўтварэння, што выклікае набраканне і, такім чынам, прыводзіць да памяншэння \(\:\rho\:\). Гэта было дадаткова пацверджана назіраннем некаторых зазораў унутры пены гідрагеля на КТ-здымках, паказаных на малюнку 2 (A, B і C).
Выявы гідрагелевых пен з розным аб'ёмам паветра, атрыманыя пры аптычнай мікраскапіі (A) 50, (B) 100 і (C) 110. Колькасць клетак і размеркаванне памераў пор ва ўзорах альгінатнай гідрагелевай пены (D) 50, (E) 100, (F) 110.
На малюнку 3 (A, B, C) паказаны выявы ўзораў гідрагелевай пены з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра, атрыманыя з дапамогай аптычнага мікраскопа. Вынікі дэманструюць аптычную структуру гідрагелевай пены, выразна бачныя выявы пор рознага дыяметра. Размеркаванне колькасці і дыяметра пор было разлічана з дапамогай ImageJ. Для кожнага ўзору было зроблена шэсць выяваў, кожная выява мела памер 1125,27 мкм × 843,96 мкм, а агульная аналізаваная плошча для кожнага ўзору складала 5,7 мм².
(A) Паводзіны сціскальнага напружання-дэфармацыі альгінатных гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра. (B) Экспанентная апраксімацыя. (C) Сціск E0 гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра. (D) Гранічнае сціскальнае напружанне і дэфармацыя альгінатных гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра.
На малюнку 3 (D, E, F) паказана, што размеркаванне памераў пор адносна аднастайнае і вагаецца ад дзясяткаў мікраметраў да прыкладна 500 мікраметраў. Памер пор практычна аднастайны і нязначна памяншаецца па меры памяншэння аб'ёму паветра. Згодна з дадзенымі выпрабаванняў, сярэдні памер пор узору аб'ёмам 50 мл складае 192,16 мкм, медыяна — 184,51 мкм, а колькасць пор на адзінку плошчы — 103; сярэдні памер пор узору аб'ёмам 100 мл складае 156,62 мкм, медыяна — 151,07 мкм, а колькасць пор на адзінку плошчы — 109; адпаведныя значэнні для ўзору аб'ёмам 110 мл складаюць 163,07 мкм, 150,29 мкм і 115 адпаведна. Дадзеныя паказваюць, што большыя пары аказваюць большы ўплыў на статыстычныя вынікі сярэдняга памеру пор, і медыяна памеру пор можа лепш адлюстроўваць тэндэнцыю змены памеру пор. Па меры павелічэння аб'ёму ўзору з 50 мл да 110 мл колькасць пор таксама павялічваецца. Спалучаючы статыстычныя вынікі сярэдняга дыяметра пор і колькасці пор, можна зрабіць выснову, што з павелічэннем аб'ёму ўнутры ўзору ўтвараецца больш пор меншага памеру.
Дадзеныя механічных выпрабаванняў паказаны на малюнках 4A і 4D. На малюнку 4A паказана паводзіна сціскальнага напружання-дэфармацыі падрыхтаваных гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра. Вынікі паказваюць, што ўсе ўзоры маюць падобную нелінейную паводзіна напружання-дэфармацыі. Для кожнага ўзору напружанне павялічваецца хутчэй са павелічэннем дэфармацыі. Экспанентная крывая была апраксімавана да паводзін сціскальнага напружання-дэфармацыі гідрагелевай пены. На малюнку 4B паказаны вынікі пасля прымянення экспанентнай функцыі ў якасці прыблізнай мадэлі да гідрагелевай пены.
Для гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра таксама быў вывучаны іх модуль сціску (E0). Падобна аналізу гідрагеляў, модуль Юнга пры сціску быў даследаваны ў дыяпазоне 20% пачатковай дэфармацыі. Вынікі выпрабаванняў на сціск паказаны на малюнку 4C. Вынікі на малюнку 4C паказваюць, што па меры памяншэння суадносін аб'ёмаў паветра ад узору 50 да ўзору 110 модуль Юнга пры сціску E0 альгінатнай гідрагелевай пены павялічваецца з 10,86 кПа да 18 кПа.
Падобным чынам былі атрыманы поўныя крывыя напружання-дэфармацыі гідрагелевых пен, а таксама значэнні гранічнага сціскальнага напружання і дэфармацыі. На малюнку 4D паказаны гранічнае сціскальнае напружанне і дэфармацыя альгінатных гідрагелевых пен. Кожная кропка дадзеных з'яўляецца сярэднім значэннем трох вынікаў выпрабаванняў. Вынікі паказваюць, што гранічнае сціскальнае напружанне павялічваецца з 9,84 кПа да 17,58 кПа са зніжэннем утрымання газу. Гранічнае дэфармаванне застаецца стабільным на ўзроўні каля 38%.
На малюнку 2 (A, B і C) паказаны КТ-выявы гідрагелевых пен з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра, якія адпавядаюць узорам 50, 100 і 110 адпаведна. Здымкі паказваюць, што ўтвораная гідрагелевая пена практычна аднародная. У ўзорах 100 і 110 назіралася невялікая колькасць шчылін. Утварэнне гэтых шчылін можа быць выклікана ўнутраным напружаннем, якое ўзнікае ў гідрагелі падчас працэсу гелеўтварэння. Мы разлічылі значэнні HU для 5 папярочных сячэнняў кожнага ўзору і пералічылі іх у табліцы 5 разам з адпаведнымі тэарэтычнымі вынікамі разлікаў.
У табліцы 5 паказана, што ўзоры з рознымі суадносінамі аб'ёмаў паветра атрымалі розныя значэнні HU. Максімальнае значэнне p паміж групамі 50 мл, 100 мл і 110 мл складала 0,004 < 0,05, што сведчыць аб статыстычнай значнасці вынікаў. Сярод трох правераных узораў узор з 50 мл сумесі меў радыялагічныя ўласцівасці, найбольш блізкія да ўласцівасцей лёгкіх чалавека. Апошні слупок табліцы 5 - гэта вынік, атрыманы шляхам тэарэтычнага разліку на аснове вымеранага значэння пены (ρ). Параўноўваючы вымераныя дадзеныя з тэарэтычнымі вынікамі, можна выявіць, што значэнні HU, атрыманыя шляхам камп'ютэрнай тамаграфічнай тамаграфіі, у цэлым блізкія да тэарэтычных вынікаў, што, у сваю чаргу, пацвярджае вынікі разліку суадносін аб'ёмаў паветра на малюнку 1C.
Асноўнай мэтай гэтага даследавання з'яўляецца стварэнне матэрыялу з механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі, параўнальнымі з уласцівасцямі лёгкіх чалавека. Гэтая мэта была дасягнута шляхам распрацоўкі матэрыялу на аснове гідрагеля з адпаведнымі тканінна-эквівалентнымі механічнымі і радыялагічнымі ўласцівасцямі, якія максімальна набліжаюцца да ўласцівасцяў лёгкіх чалавека. Кіруючыся тэарэтычнымі разлікамі, былі падрыхтаваны гідрагелевыя пены з рознымі аб'ёмнымі суадносінамі паветра шляхам механічнага змешвання раствора альгінату натрыю, CaCO3, GDL і SLES 70. Марфалагічны аналіз паказаў, што ўтварылася аднастайная трохмерная стабільная гідрагелевая пена. Змяняючы аб'ёмныя суадносіны паветра, шчыльнасць і парыстасць пены можна змяняць па жаданні. З павелічэннем аб'ёмнага ўтрымання паветра памер пор нязначна памяншаецца, а колькасць пор павялічваецца. Для аналізу механічных уласцівасцей альгінатных гідрагелевых пен былі праведзены выпрабаванні на сціск. Вынікі паказалі, што модуль сціску (E0), атрыманы ў выніку выпрабаванняў на сціск, знаходзіцца ў ідэальным дыяпазоне для лёгкіх чалавека. E0 павялічваецца са змяншэннем аб'ёмных суадносін паветра. Значэнні радыялагічных уласцівасцей (HU) падрыхтаваных узораў былі атрыманы на аснове дадзеных КТ узораў і параўнаны з вынікамі тэарэтычных разлікаў. Вынікі былі спрыяльнымі. Вымеранае значэнне таксама блізкае да значэння HU лёгкіх чалавека. Вынікі паказваюць, што можна ствараць гідрагелевыя пены, якія імітуюць тканіны, з ідэальным спалучэннем механічных і радыялагічных уласцівасцей, якія імітуюць уласцівасці лёгкіх чалавека.
Нягледзячы на ​​шматабяцальныя вынікі, існуючыя метады вырабу патрабуюць удасканалення, каб лепш кантраляваць суадносіны аб'ёмаў паветра і парыстасць у адпаведнасці з прагнозамі тэарэтычных разлікаў і рэальных лёгкіх чалавека як на глабальным, так і на лакальным узроўні. Бягучае даследаванне таксама абмежавана тэставаннем механікі сціскання, што абмяжоўвае патэнцыйнае прымяненне фантома фазай сціскання дыхальнага цыклу. Будучыя даследаванні выйгралі б ад вывучэння выпрабаванняў на расцяжэнне, а таксама агульнай механічнай стабільнасці матэрыялу для ацэнкі патэнцыйнага прымянення ў дынамічных умовах нагрузкі. Нягледзячы на ​​гэтыя абмежаванні, даследаванне з'яўляецца першай паспяховай спробай аб'яднаць радыялагічныя і механічныя ўласцівасці ў адным матэрыяле, які імітуе лёгкія чалавека.
Наборы даных, атрыманыя і/або прааналізаваныя падчас гэтага даследавання, даступныя ў адпаведнага аўтара па абгрунтаваным запыце. Як эксперыменты, так і наборы даных можна прайграваць.
Сонг, Г. і інш. Новыя нанатэхналогіі і перадавыя матэрыялы для прамянёвай тэрапіі раку. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Кіл, П. Дж. і інш. Справаздача спецыяльнай групы AAPM 76a па кіраванні рэспіраторнымі рухамі ў радыяцыйнай анкалогіі. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Аль-Мая, А., Мозлі, Дж. і Брок, К.К. Мадэляванне інтэрфейсу і нелінейнасці матэрыялаў у лёгкіх чалавека. Фізіка і медыцына і біялогія 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ван, Х. і інш. Мадэль рака лёгкіх, падобнага на пухліну, створаная з дапамогай 3D-біядруку. 3. Біятэхналогіі. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Лі, М. і інш. Мадэляванне дэфармацыі лёгкіх: метад, які спалучае метады рэгістрацыі дэфармаваных малюнкаў і прасторава зменлівую ацэнку модуля Юнга. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гімарайнш, К. Ф. і інш. Калянасць жывой тканкі і яе ўплыў на тканінную інжынерыю. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).