Köszönjük, hogy felkereste a nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik. A legjobb élmény érdekében a legújabb böngészőverzió használatát javasoljuk (vagy az Internet Explorer kompatibilitási módjának kikapcsolását). Ezenkívül a folyamatos támogatás biztosítása érdekében ez az oldal nem tartalmaz stílusokat vagy JavaScriptet.
A szervek és szövetek mozgása hibákhoz vezethet a röntgensugarak pozicionálásában a sugárterápia során. Ezért a sugárterápia optimalizálása érdekében szövet-ekvivalens mechanikai és radiológiai tulajdonságokkal rendelkező anyagokra van szükség a szervek mozgásának utánzására. Az ilyen anyagok fejlesztése azonban továbbra is kihívást jelent. Az alginát-hidrogélek tulajdonságai hasonlóak az extracelluláris mátrixéhoz, így ígéretes szövet-ekvivalens anyagok. Ebben a tanulmányban a kívánt mechanikai és radiológiai tulajdonságokkal rendelkező alginát-hidrogél habokat szintetizálták in situ Ca2+ felszabadítással. A levegő-térfogat arányt gondosan szabályozták, hogy meghatározott mechanikai és radiológiai tulajdonságokkal rendelkező hidrogél habokat kapjanak. Az anyagok makro- és mikromorfológiáját jellemezték, és vizsgálták a hidrogél habok viselkedését nyomás alatt. A radiológiai tulajdonságokat elméletileg becsülték meg, és kísérletileg igazolták komputertomográfia segítségével. Ez a tanulmány fényt derít a szövet-ekvivalens anyagok jövőbeli fejlesztésére, amelyek felhasználhatók a sugárterápia során a sugárdózis optimalizálására és a minőségellenőrzésre.
A sugárterápia egy gyakori kezelési mód a rák kezelésére1. A szervek és szövetek mozgása gyakran vezet hibákhoz a röntgensugarak elhelyezésében a sugárterápia során2, ami a daganat alulkezeléséhez és a környező egészséges sejtek felesleges sugárzásnak való kitettségéhez vezethet. A szervek és szövetek mozgásának előrejelzésének képessége kritikus fontosságú a daganat lokalizációs hibáinak minimalizálása érdekében. Ez a tanulmány a tüdőre összpontosított, mivel azok jelentős deformációkon és mozgásokon mennek keresztül, amikor a betegek lélegeznek a sugárterápia során. Különböző végeselemes modelleket fejlesztettek ki és alkalmaztak az emberi tüdő mozgásának szimulálására3,4,5. Az emberi szervek és szövetek azonban összetett geometriával rendelkeznek, és nagymértékben betegfüggőek. Ezért a szövet-ekvivalens tulajdonságokkal rendelkező anyagok nagyon hasznosak fizikai modellek fejlesztéséhez az elméleti modellek validálására, a jobb orvosi kezelés elősegítésére, valamint orvosi oktatási célokra.
A lágy szöveteket utánzó anyagok fejlesztése az összetett külső és belső szerkezeti geometriák elérése érdekében nagy figyelmet kapott, mivel ezek eredendő mechanikai inkonzisztenciái hibákhoz vezethetnek a célalkalmazásokban6,7. A tüdőszövet komplex biomechanikájának modellezése, amely ötvözi a rendkívüli puhaságot, rugalmasságot és szerkezeti porozitást, jelentős kihívást jelent az emberi tüdőt pontosan reprodukáló modellek fejlesztése során. A mechanikai és radiológiai tulajdonságok integrációja és illesztése kritikus fontosságú a tüdőmodellek hatékony teljesítménye szempontjából a terápiás beavatkozásokban. Az additív gyártás hatékonynak bizonyult a betegspecifikus modellek fejlesztésében, lehetővé téve az összetett tervek gyors prototípus-készítését. Shin és munkatársai8 egy reprodukálható, deformálható tüdőmodellt fejlesztettek ki 3D nyomtatott légutakkal. Haselaar és munkatársai9 egy valódi betegekhez nagyon hasonló fantomot fejlesztettek ki a képminőség értékeléséhez és a sugárterápia pozíció-ellenőrzési módszereihez. Hong és munkatársai10 egy mellkasi CT-modellt fejlesztettek ki 3D nyomtatás és szilikonöntési technológia segítségével a különböző tüdőelváltozások CT-intenzitásának reprodukálására a kvantifikáció pontosságának értékelése érdekében. Ezeket a prototípusokat azonban gyakran olyan anyagokból készítik, amelyek tényleges tulajdonságai nagyon eltérnek a tüdőszövet tulajdonságaitól11.
Jelenleg a legtöbb tüdőfantom szilikonból vagy poliuretán habból készül, amelyek nem felelnek meg a valódi tüdőparenchyma mechanikai és radiológiai tulajdonságainak.12,13 Az alginát-hidrogélek biokompatibilisek, és hangolható mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően széles körben alkalmazzák a szövetmérnökségben.14 Azonban a tüdőszövet rugalmasságát és töltőszerkezetét pontosan utánzó tüdőfantomhoz szükséges ultrapuha, habszerű állag reprodukálása továbbra is kísérleti kihívást jelent.
Ebben a tanulmányban feltételeztük, hogy a tüdőszövet homogén, rugalmas anyag. Az emberi tüdőszövet (\(\:\rho\:\) sűrűsége 1,06 g/cm3, a felfújt tüdő sűrűsége pedig 0,26 g/cm315. Különböző kísérleti módszerekkel a tüdőszövet Young-modulusának (MY) értékei széles skálán mozognak. Lai-Fook és munkatársai16 az egyenletesen felfújt emberi tüdő YM-jét 0,42–6,72 kPa-nak mérték. Goss és munkatársai17 mágneses rezonancia elasztográfiát alkalmaztak, és 2,17 kPa YM-ről számoltak be. Liu és munkatársai18 a közvetlenül mért YM-et 0,03–57,2 kPa között közölték. Ilegbusi és munkatársai19 a kiválasztott betegektől kapott 4D CT-adatok alapján 0,1–2,7 kPa-ra becsülték az YM-et.
A tüdő radiológiai tulajdonságainak vizsgálatához számos paramétert használnak a tüdőszövet és a röntgensugarak kölcsönhatási viselkedésének leírására, beleértve az elemi összetételt, az elektronsűrűséget (\(\:{\rho\:}_{e}\)), az effektív rendszámot (\(\:{Z}_{eff}\)), az átlagos gerjesztési energiát (\(\:I\)), a tömegcsillapítási együtthatót (\(\:\mu\:/\rho\:\)) és a Hounsfield-egységet (HU), amely közvetlenül kapcsolódik \(\:\mu\:/\rho\:\)-hoz.
Az elektronsűrűséget (\:{\rho\:}_{e}) az egységnyi térfogatra jutó elektronok számaként definiáljuk, és a következőképpen számítjuk ki:
ahol \(\:\rho\:\) az anyag sűrűsége g/cm3-ben, \(\:{N}_{A}\) az Avogadro-állandó, \(\:{w}_{i}\) a tömegtört, \(\:{Z}_{i}\) a rendszám, és \(\:{A}_{i}\) az i-edik elem atomtömege.
Az atomszám közvetlenül összefügg az anyagon belüli sugárzási kölcsönhatás jellegével. Több elemet tartalmazó vegyületek és keverékek (pl. szövetek) esetén ki kell számítani az effektív atomszámot (\:{Z}_{eff}\). A képletet Murthy és munkatársai javasolták [20]:
Az átlagos gerjesztési energia \(\:I\) azt írja le, hogy a célanyag milyen könnyen nyeli el a behatoló részecskék kinetikus energiáját. Ez csak a célanyag tulajdonságait írja le, és semmi köze a részecskék tulajdonságaihoz. \(\:I\) Bragg additivitási szabályának alkalmazásával számítható ki:
A tömegcsillapítási együttható \(\:\mu\:/\rho\:\) a fotonok célanyagba történő behatolását és energiafelszabadulását írja le. A következő képlettel számítható ki:
Ahol \(\:x\) az anyag vastagsága, \(\:{I}_{0}\) a beeső fény intenzitása, \(\:I\) pedig a foton intenzitása az anyagba való behatolás után. A \(\:\mu\:/\rho\:\) adatok közvetlenül a NIST 12621 szabványreferencia-adatbázisból szerezhetők be. A keverékek és vegyületek \(\:\mu\:/\rho\:\) értékei az additivitási szabály segítségével a következőképpen származtathatók:
A HU a komputertomográfiai (CT) adatok értelmezésében használt, szabványosított, dimenzió nélküli radiosűrűség-mértékegység, amelyet lineárisan transzformálnak a mért csillapítási együtthatóból (\:\mu\:\). Definíciója:
ahol \(\:{\mu\:}_{water}\) a víz csillapítási együtthatója, és \(\:{\mu\:}_{air}\) a levegő csillapítási együtthatója. Tehát a (6) képletből láthatjuk, hogy a víz HU-értéke 0, a levegő HU-értéke pedig -1000. Az emberi tüdő HU-értéke -600 és -70022 között mozog.
Számos szövetekvivalens anyagot fejlesztettek ki. Griffith és munkatársai23 kifejlesztettek egy poliuretánból (PU) készült, szövetekvivalens emberi törzsmodellt, amelyhez különböző koncentrációjú kalcium-karbonátot (CaCO3) adtak, hogy szimulálják a különböző emberi szervek, köztük az emberi tüdő lineáris csillapítási együtthatóit, és a modellt Griffithnek nevezték el. Taylor24 bemutatott egy második, a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium (LLNL) által kifejlesztett tüdőszövet-ekvivalens modellt, amelyet LLLL1-nek neveztek el. Traub és munkatársai25 egy új tüdőszövet-helyettesítőt fejlesztettek ki, amely 5,25% CaCO3-at tartalmazó Foamex XRS-272-t használt teljesítményfokozóként, és amelyet ALT2-nek neveztek el. Az 1. és 2. táblázat a \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) és a tömegcsillapítási együtthatók összehasonlítását mutatja az emberi tüdő (ICRU-44) és a fenti szövetekvivalens modellek esetében.
A kiváló radiológiai tulajdonságok ellenére szinte az összes fantomanyag polisztirol habból készül, ami azt jelenti, hogy ezen anyagok mechanikai tulajdonságai nem közelítik meg az emberi tüdő tulajdonságait. A poliuretán hab Young-modulusa (YM) körülbelül 500 kPa, ami messze nem ideális a normál emberi tüdőhöz képest (körülbelül 5-10 kPa). Ezért szükséges egy új anyag kifejlesztése, amely megfelel a valódi emberi tüdő mechanikai és radiológiai jellemzőinek.
A hidrogéleket széles körben alkalmazzák a szövetmérnökségben. Szerkezetük és tulajdonságaik hasonlóak az extracelluláris mátrixhoz (ECM), és könnyen állíthatók. Ebben a tanulmányban tiszta nátrium-alginátot választottunk habok előállításához használt bioanyagként. Az alginát-hidrogélek biokompatibilisek és széles körben alkalmazhatók a szövetmérnökségben állítható mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően. A nátrium-alginát elemi összetétele (C6H7NaO6)n)n és a Ca2+ jelenléte lehetővé teszi radiológiai tulajdonságainak szükség szerinti módosítását. Az állítható mechanikai és radiológiai tulajdonságok ezen kombinációja ideálissá teszi az alginát-hidrogéleket a vizsgálatunkhoz. Természetesen az alginát-hidrogéleknek is vannak korlátai, különösen a szimulált légzési ciklusok során mutatott hosszú távú stabilitás tekintetében. Ezért további fejlesztésekre van szükség, és a jövőbeli tanulmányokban várhatóan ezek a korlátok kiküszöbölhetők.
Ebben a munkában egy alginát-hidrogél habanyagot fejlesztettünk ki, amelynek szabályozható rho-értékei, rugalmassága és radiológiai tulajdonságai hasonlóak az emberi tüdőszövetéhez. Ez a tanulmány általános megoldást kínál hangolható rugalmasságú és radiológiai tulajdonságokkal rendelkező szövetszerű fantomok előállítására. Az anyagtulajdonságok könnyen testreszabhatók bármilyen emberi szövethez és szervhez.
A hidrogel hab célzott levegő-térfogat arányát az emberi tüdő HU tartománya (-600 és -700 között) alapján számították ki. Feltételezték, hogy a hab levegő és szintetikus alginát hidrogel egyszerű keveréke. Az egyes elemek egyszerű összeadási szabályának (\:\mu\:/\rho\:\) segítségével kiszámítható a levegő térfogataránya és a szintetizált alginát hidrogel térfogataránya.
Az alginát-hidrogél habokat nátrium-alginát (cikkszám: W201502), CaCO3 (cikkszám: 795445, MW: 100,09) és GDL (cikkszám: G4750, MW: 178,14) felhasználásával állították elő, amelyeket a Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO cégtől vásároltak. A 70%-os nátrium-lauril-éter-szulfátot (SLES 70) a Renowned Trading LLC-től vásárolták. A hab előállítási folyamatában ioncserélt vizet használtak. A nátrium-alginátot ioncserélt vízben oldották szobahőmérsékleten, folyamatos keverés mellett (600 fordulat/perc), amíg homogén, sárga, áttetsző oldatot nem kaptak. A gélképződés megindításához CaCO3-at és GDL-t kombináltak Ca2+ forrásként. Az SLES 70-et felületaktív anyagként használták a hidrogél belsejében lévő porózus szerkezet kialakítására. Az alginát koncentrációját 5%-on, a Ca2+:-COOH mólarányt pedig 0,18-on tartották. A CaCO3:GDL mólarányt a hab előállítása során szintén 0,5-ön tartottuk a semleges pH fenntartása érdekében. Az érték 26. Minden mintához 2 térfogat% SLES 70-et adtunk. Egy fedeles főzőpohárban szabályoztuk az oldat és a levegő keverési arányát. A főzőpohár teljes térfogata 140 ml volt. Az elméleti számítási eredmények alapján a keverék különböző térfogatait (50 ml, 100 ml, 110 ml) adtuk a főzőpohárhoz a levegővel való keverés céljából. Az 50 ml keveréket tartalmazó mintát úgy terveztük, hogy elegendő levegővel keveredjen, míg a másik két mintában a levegő térfogatarányát szabályoztuk. Először az SLES 70-et adtuk az alginátoldathoz, és elektromos keverővel kevertük, amíg teljesen össze nem keveredett. Ezután a CaCO3 szuszpenziót adtuk a keverékhez, és folyamatosan kevertük, amíg a keverék teljesen össze nem keveredett, amikor a színe fehérre változott. Végül a GDL oldatot adtuk a keverékhez a gélesedés megindítása érdekében, és a folyamat során mechanikus keverést folytattunk. Az 50 ml keveréket tartalmazó minta esetében a mechanikus keverést akkor állítottuk le, amikor a keverék térfogatának változása megszűnt. A 100 ml és 110 ml keveréket tartalmazó minták esetében a mechanikus keverést akkor állítottuk le, amikor a keverék megtöltötte a főzőpoharat. Kísérletet tettünk 50 ml és 100 ml közötti térfogatú hidrogél habok előállítására is. A hab szerkezeti instabilitása azonban megfigyelhető volt, mivel a teljes levegőkeverés és a levegőtérfogat-szabályozás állapota között ingadozott, ami inkonzisztens térfogatszabályozást eredményezett. Ez az instabilitás bizonytalanságot vezetett be a számításokba, ezért ezt a térfogattartományt nem vettük figyelembe a vizsgálatban.
A hidrogel hab sűrűségét (\(rho)) a hidrogel habminta tömegének (\m) és térfogatának (\V) mérésével számítjuk ki.
A hidrogel habok optikai mikroszkópos képeit Zeiss Axio Observer A1 kamerával készítettük. Az ImageJ szoftvert használtuk a mintában lévő pórusok számának és méreteloszlásának kiszámítására egy adott területen a kapott képek alapján. A pórusok alakját kör alakúnak feltételeztük.
Az alginát-hidrogél habok mechanikai tulajdonságainak vizsgálatához egytengelyű nyomóvizsgálatokat végeztek TESTRESOURCES 100-as sorozatú géppel. A mintákat téglalap alakú blokkokra vágták, és a blokkok méreteit megmérték a feszültségek és alakváltozások kiszámításához. A keresztfej sebességét 10 mm/percre állították be. Mintánként három mintát vizsgáltak, és az eredményekből kiszámították az átlagot és a szórást. Ez a tanulmány az alginát-hidrogél habok nyomómechanikai tulajdonságaira összpontosított, mivel a tüdőszövet a légzési ciklus egy bizonyos szakaszában nyomóerőknek van kitéve. A nyújthatóság természetesen kulcsfontosságú, különösen a tüdőszövet teljes dinamikus viselkedésének tükrözése érdekében, és ezt a jövőbeli vizsgálatokban fogják vizsgálni.
Az elkészített hidrogel hab mintákat egy Siemens SOMATOM Drive kétcsatornás CT szkenneren szkenneltük. A szkennelési paramétereket a következőképpen állítottuk be: 40 mAs, 120 kVp és 1 mm szeletvastagság. A kapott DICOM fájlokat a MicroDicom DICOM Viewer szoftverrel elemeztük, amely során minden egyes minta 5 keresztmetszetének HU értékeit elemeztük. A CT-vel kapott HU értékeket összehasonlítottuk a minták sűrűségadatain alapuló elméleti számításokkal.
E tanulmány célja az egyedi szervmodellek és mesterséges biológiai szövetek előállításának forradalmasítása lágy anyagok tervezésével. Az emberi tüdő működési mechanikájával megegyező mechanikai és radiológiai tulajdonságokkal rendelkező anyagok fejlesztése fontos olyan célzott alkalmazásokhoz, mint az orvosi képzés, a műtéti tervezés és a sugárterápia tervezése. Az 1A. ábrán ábrázoltuk az emberi tüdőmodellek előállításához feltételezhetően használt lágy anyagok mechanikai és radiológiai tulajdonságai közötti eltérést. A mai napig olyan anyagokat fejlesztettek ki, amelyek a kívánt radiológiai tulajdonságokkal rendelkeznek, de mechanikai tulajdonságaik nem felelnek meg a kívánt követelményeknek. A poliuretán hab és a gumi a legszélesebb körben használt anyagok deformálható emberi tüdőmodellek előállításához. A poliuretán hab mechanikai tulajdonságai (Young-modulus, YM) jellemzően 10-100-szor nagyobbak, mint a normál emberi tüdőszöveté. Azok az anyagok, amelyek mind a kívánt mechanikai, mind a radiológiai tulajdonságokkal rendelkeznek, még nem ismertek.
(A) Különböző lágy anyagok tulajdonságainak sematikus ábrázolása és összehasonlítása az emberi tüdővel sűrűség, Young-modulus és radiológiai tulajdonságok (HU-ban) tekintetében. (B) 5%-os koncentrációjú és 0,18 Ca2+:-COOH mólarányú \(\:\mu\:/\rho\:\) alginát hidrogél röntgendiffrakciós mintázata. (C) A levegő térfogatarányának tartománya hidrogél habokban. (D) Különböző levegő térfogatarányú alginát hidrogél habok sematikus ábrázolása.
Kiszámítottuk az 5%-os koncentrációjú és 0,18 Ca2+:-COOH mólarányú alginát hidrogélek elemi összetételét, az eredményeket a 3. táblázat mutatja. Az előző (5) képletben szereplő addíciós szabály szerint az alginát hidrogél tömegcsillapítási együtthatóját (\:\:\mu\:/\rho\:\) az 1B. ábrán látható módon kapjuk meg.
A levegő és víz \(\:\mu\:/\rho\:\) értékeit közvetlenül a NIST 12612 szabvány referencia-adatbázisából szereztük be. Így az 1C. ábra a hidrogel habok számított levegőtérfogat-arányait mutatja, amelyek HU-egyenértéke az emberi tüdőre vonatkozóan -600 és -700 között van. Az elméletileg számított levegőtérfogat-arány 60–70%-on belül stabil az 1 × 10−3 és 2 × 101 MeV közötti energiatartományban, ami jó potenciált jelez a hidrogel habok alkalmazására a downstream gyártási folyamatokban.
Az 1D. ábra az elkészített alginát-hidrogél habmintát mutatja. Minden mintát 12,7 mm élhosszúságú kockákra vágtak. Az eredmények azt mutatták, hogy homogén, háromdimenziósan stabil hidrogél hab képződött. A levegőtérfogat-aránytól függetlenül a hidrogél habok megjelenésében nem figyeltek meg szignifikáns különbséget. A hidrogél hab önfenntartó jellege arra utal, hogy a hidrogélen belül kialakult hálózat elég erős ahhoz, hogy megtartsa a hab súlyát. A habból történő kis mennyiségű vízszivárgástól eltekintve a hab több hétig átmeneti stabilitást is mutatott.
A habminta tömegének és térfogatának mérésével kiszámították az előállított hidrogél hab \(\:\rho\:\) sűrűségét, az eredményeket a 4. táblázat mutatja. Az eredmények a \(\:\rho\:\) levegő térfogatarányától való függését mutatják. Amikor elegendő levegőt keverünk 50 ml mintához, a sűrűség a legalacsonyabb lesz, és 0,482 g/cm3. A kevert levegő mennyiségének csökkenésével a sűrűség 0,685 g/cm3-re nő. Az 50 ml-es, 100 ml-es és 110 ml-es csoportok között a maximális p-érték 0,004 < 0,05 volt, ami az eredmények statisztikai szignifikanciáját jelzi.
Az elméleti \(\:\rho\:\) értéket szintén a szabályozott levegőtérfogat-arány felhasználásával számították ki. A mért eredmények azt mutatják, hogy a \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³-rel kisebb, mint az elméleti érték. Ez a különbség a gélesedési folyamat során a hidrogelben keletkező belső feszültséggel magyarázható, amely duzzadást okoz, és így a \(\:\rho\:\) csökkenéséhez vezet. Ezt megerősítette a 2. ábrán (A, B és C) látható CT-felvételeken a hidrogel hab belsejében található néhány rések megfigyelése is.
Különböző légtérfogat-tartalmú hidrogel habok optikai mikroszkópos képei (A) 50, (B) 100 és (C) 110. Cellaszám és pórusméret-eloszlás alginát hidrogel hab mintákban (D) 50, (E) 100, (F) 110.
A 3. ábra (A, B, C) a különböző levegőtérfogat-arányú hidrogel habminták optikai mikroszkópos képeit mutatja. Az eredmények a hidrogel hab optikai szerkezetét mutatják, jól láthatóan mutatva a különböző átmérőjű pórusok képeit. A pórusszám és az átmérő eloszlását ImageJ segítségével számítottuk ki. Minden mintáról hat képet készítettünk, mindegyik kép mérete 1125,27 μm × 843,96 μm volt, a teljes elemzett terület pedig mintánként 5,7 mm² volt.
(A) Különböző levegőtérfogat-arányú alginát-hidrogél habok nyomófeszültség-alakváltozás viselkedése. (B) Exponenciális illesztés. (C) Különböző levegőtérfogat-arányú hidrogél habok összenyomódási E0 értéke. (D) Különböző levegőtérfogat-arányú alginát-hidrogél habok végső nyomófeszültsége és alakváltozása.
A 3. ábra (D, E, F) azt mutatja, hogy a pórusméret-eloszlás viszonylag egyenletes, néhány tíz mikrométertől körülbelül 500 mikrométerig terjed. A pórusméret alapvetően egyenletes, és a levegő térfogatának csökkenésével kissé csökken. A vizsgálati adatok szerint az 50 ml-es minta átlagos pórusmérete 192,16 μm, az átlagérték 184,51 μm, az egységnyi területre jutó pórusok száma pedig 103; a 100 ml-es minta átlagos pórusmérete 156,62 μm, az átlagérték 151,07 μm, az egységnyi területre jutó pórusok száma pedig 109; a 110 ml-es minta megfelelő értékei 163,07 μm, 150,29 μm és 115. Az adatok azt mutatják, hogy a nagyobb pórusok jobban befolyásolják az átlagos pórusméret statisztikai eredményeit, és az átlagos pórusméret jobban tükrözi a pórusméret változásának trendjét. Ahogy a minta térfogata 50 ml-ről 110 ml-re növekszik, a pórusok száma is növekszik. A medián pórusátmérő és a pórusszám statisztikai eredményeinek kombinálásával megállapítható, hogy a térfogat növekedésével több, kisebb méretű pórus képződik a mintában.
A mechanikai vizsgálati adatokat a 4A. és 4D. ábra mutatja. A 4A. ábra a különböző levegőtérfogat-arányokkal előállított hidrogél habok nyomófeszültség-alakváltozás viselkedését mutatja. Az eredmények azt mutatják, hogy minden minta hasonló nemlineáris feszültség-alakváltozás viselkedéssel rendelkezik. Minden minta esetében a feszültség gyorsabban növekszik a növekvő alakváltozással. Exponenciális görbét illesztettek a hidrogél hab nyomófeszültség-alakváltozás viselkedéséhez. A 4B. ábra az exponenciális függvény közelítő modellként történő alkalmazása utáni eredményeket mutatja a hidrogél habra.
A különböző levegőtérfogat-arányú hidrogél habok esetében a nyomórugalmassági modulusukat (E0) is vizsgálták. A hidrogélek elemzéséhez hasonlóan a nyomórugalmassági Young modulust 20%-os kezdeti feszültség tartományában vizsgálták. A nyomóvizsgálatok eredményeit a 4C. ábra mutatja. A 4C. ábra eredményei azt mutatják, hogy ahogy a levegőtérfogat-arány az 50. mintától a 110. mintáig csökken, az alginát hidrogél hab nyomórugalmassági Young modulusa (E0) 10,86 kPa-ról 18 kPa-ra nő.
Hasonlóképpen, a hidrogél habok teljes feszültség-nyúlás görbéit, valamint a végső nyomófeszültség és nyúlás értékeit is megkaptuk. A 4D. ábra az alginát hidrogél habok végső nyomófeszültségét és nyúlását mutatja. Minden adatpont három teszteredmény átlaga. Az eredmények azt mutatják, hogy a végső nyomófeszültség 9,84 kPa-ról 17,58 kPa-ra nő a csökkenő gáztartalommal. A végső nyúlás stabil marad körülbelül 38%-on.
A 2. ábra (A, B és C) a különböző levegőtérfogat-arányú hidrogel habok CT-felvételeit mutatja az 50-es, 100-as és 110-es mintáknak megfelelően. A képek azt mutatják, hogy a képződött hidrogel hab szinte homogén. A 100-as és 110-es mintákban kis számú rés volt megfigyelhető. Ezeknek a réseknek a kialakulása a gélesedési folyamat során a hidrogelben keletkező belső feszültségnek tudható be. Kiszámítottuk az egyes minták 5 keresztmetszetére vonatkozó HU-értékeket, és azokat az 5. táblázatban felsoroltuk a megfelelő elméleti számítási eredményekkel együtt.
Az 5. táblázat azt mutatja, hogy a különböző levegőtérfogat-arányú minták eltérő HU-értékeket értek el. Az 50 ml-es, 100 ml-es és 110 ml-es csoportok között a maximális p-érték 0,004 < 0,05 volt, ami az eredmények statisztikai szignifikanciáját jelzi. A három vizsgált minta közül az 50 ml-es keverékkel készült minta rendelkezett a legközelebbi radiológiai tulajdonságokkal az emberi tüdő tulajdonságaihoz. Az 5. táblázat utolsó oszlopa a mért habzási érték alapján elméleti számítással kapott eredmény \(\:\rho\:\). A mért adatokat az elméleti eredményekkel összehasonlítva megállapítható, hogy a CT-vizsgálattal kapott HU-értékek általában közel vannak az elméleti eredményekhez, ami viszont megerősíti az 1C. ábrán látható levegőtérfogat-arány számítási eredményeket.
A tanulmány fő célja egy olyan anyag létrehozása, amelynek mechanikai és radiológiai tulajdonságai összehasonlíthatók az emberi tüdő tulajdonságaival. Ezt a célt egy hidrogel alapú anyag kifejlesztésével érték el, amelynek testreszabott szövet-ekvivalens mechanikai és radiológiai tulajdonságai a lehető legközelebb állnak az emberi tüdő tulajdonságaihoz. Elméleti számítások alapján különböző levegőtérfogat-arányú hidrogel habokat állítottak elő nátrium-alginát oldat, CaCO3, GDL és SLES 70 mechanikus összekeverésével. A morfológiai elemzés kimutatta, hogy homogén, háromdimenziós, stabil hidrogel hab képződött. A levegőtérfogat-arány változtatásával a hab sűrűsége és porozitása tetszés szerint változtatható. A levegőtérfogat-tartalom növekedésével a pórusméret kissé csökken, a pórusok száma pedig növekszik. Az alginát hidrogel habok mechanikai tulajdonságainak elemzésére nyomóvizsgálatokat végeztek. Az eredmények azt mutatták, hogy a nyomóvizsgálatokból kapott nyomómodulus (E0) az emberi tüdő számára ideális tartományban van. Az E0 a levegőtérfogat-arány csökkenésével növekszik. Az előállított minták radiológiai tulajdonságainak (HU) értékeit a minták CT-adatai alapján kapták meg, és összehasonlították az elméleti számítások eredményeivel. Az eredmények kedvezőek voltak. A mért érték közel van az emberi tüdő HU-értékéhez is. Az eredmények azt mutatják, hogy lehetséges olyan szövetimitáló hidrogél habokat létrehozni, amelyek ideális mechanikai és radiológiai tulajdonságok kombinációjával utánozzák az emberi tüdő tulajdonságait.
Az ígéretes eredmények ellenére a jelenlegi gyártási módszereket fejleszteni kell a levegő térfogatarányának és porozitásának jobb szabályozása érdekében, hogy azok megfeleljenek az elméleti számításokból és a valós emberi tüdőből származó előrejelzéseknek mind globális, mind lokális léptékben. A jelenlegi tanulmány a kompressziós mechanika tesztelésére is korlátozódik, ami korlátozza a fantom lehetséges alkalmazását a légzési ciklus kompressziós fázisában. A jövőbeli kutatások számára hasznos lenne a szakítóvizsgálatok, valamint az anyag általános mechanikai stabilitásának vizsgálata, hogy felmérjék a lehetséges alkalmazásokat dinamikus terhelési körülmények között. Ezen korlátozások ellenére a tanulmány az első sikeres kísérlet a radiológiai és mechanikai tulajdonságok kombinálására egyetlen anyagban, amely utánozza az emberi tüdőt.
A jelenlegi tanulmány során keletkezett és/vagy elemzett adatkészletek kérésre a levelező szerzőtől elérhetők. Mind a kísérletek, mind az adatkészletek reprodukálhatók.
Song, G. és munkatársai. Új nanotechnológiák és fejlett anyagok a rák sugárterápiájához. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ és munkatársai. Az AAPM 76a munkacsoport jelentése a légzésmozgás-kezelésről a sugárterápiás onkológiában. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. és Brock, KK: A határfelület és az anyagi nemlinearitások modellezése az emberi tüdőben. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. és munkatársai. 3D bionyomtatással létrehozott tumorszerű tüdőrák modell. 3. Biotechnológia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. és munkatársai. Tüdődeformáció modellezése: módszer, amely deformálható képregisztrációs technikákat és térben változó Young-modulus becslést kombinál. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Az élő szövetek merevsége és annak következményei a szövetmérnökségre. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).