Dankon pro via vizito al nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas uzi la plej novan retumilversion (aŭ malŝalti kongruecan reĝimon en Internet Explorer). Plie, por certigi daŭran subtenon, ĉi tiu retejo ne inkluzivos stilojn aŭ JavaScript.
Movado de organoj kaj histoj povas konduki al eraroj en la poziciigado de rentgenradioj dum radioterapio. Tial, materialoj kun histo-ekvivalentaj mekanikaj kaj radiologiaj ecoj estas necesaj por imiti organmovadon por la optimumigo de radioterapio. Tamen, la disvolviĝo de tiaj materialoj restas defio. Alginataj hidroĝeloj havas ecojn similajn al tiuj de la eksterĉela matrico, igante ilin promesplenaj kiel histo-ekvivalentaj materialoj. En ĉi tiu studo, alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj kun dezirataj mekanikaj kaj radiologiaj ecoj estis sintezitaj per surloka Ca2+-liberigo. La aero-volumena proporcio estis zorge kontrolita por akiri hidroĝelajn ŝaŭmojn kun difinitaj mekanikaj kaj radiologiaj ecoj. La makro- kaj mikromorfologio de la materialoj estis karakterizita, kaj la konduto de la hidroĝelaj ŝaŭmoj sub kunpremo estis studita. La radiologiaj ecoj estis taksitaj teorie kaj eksperimente kontrolitaj per komputita tomografio. Ĉi tiu studo klarigas la estontan disvolviĝon de histo-ekvivalentaj materialoj, kiuj povas esti uzataj por optimumigo de radiada dozo kaj kvalito-kontrolo dum radioterapio.
Radioterapio estas ofta kuracado por kancero1. Movado de organoj kaj histoj ofte kondukas al eraroj en la poziciigado de rentgenradioj dum radioterapio2, kio povas rezultigi subtraktadon de la tumoro kaj troeksponiĝon de ĉirkaŭaj sanaj ĉeloj al nenecesa radiado. La kapablo antaŭdiri la movadon de organoj kaj histoj estas kritika por minimumigi erarojn en la lokalizo de tumoroj. Ĉi tiu studo fokusiĝis al la pulmoj, ĉar ili spertas signifajn deformojn kaj movadojn kiam pacientoj spiras dum radioterapio. Diversaj finiaj elementaj modeloj estis evoluigitaj kaj aplikitaj por simuli la movadon de homaj pulmoj3,4,5. Tamen, homaj organoj kaj histoj havas kompleksajn geometriojn kaj estas tre paciento-dependaj. Tial, materialoj kun histo-ekvivalentaj ecoj estas tre utilaj por evoluigi fizikajn modelojn por validigi teoriajn modelojn, faciligi plibonigitan kuracadon kaj por medicinaj edukaj celoj.
La evoluigo de materialoj similantaj molajn histojn por atingi kompleksajn eksterajn kaj internajn strukturajn geometriojn altiris multan atenton, ĉar iliaj enecaj mekanikaj faktkonfliktoj povas konduki al fiaskoj en celaj aplikoj6,7. Modelado de la kompleksa biomekaniko de pulma histo, kiu kombinas ekstreman molecon, elastecon kaj strukturan porecon, prezentas signifan defion en evoluigo de modeloj, kiuj precize reproduktas la homan pulmon. La integrado kaj kongruigo de mekanikaj kaj radiologiaj ecoj estas kritikaj por la efika agado de pulmaj modeloj en terapiaj intervenoj. Aldona fabrikado pruviĝis efika en evoluigo de paciento-specifaj modeloj, ebligante rapidan prototipadon de kompleksaj dezajnoj. Shin et al.8 evoluigis reprodukteblan, deformeblan pulman modelon kun 3D-presitaj aervojoj. Haselaar et al.9 evoluigis fantomon tre similan al realaj pacientoj por taksado de bildkvalito kaj poziciaj konfirmmetodoj por radioterapio. Hong et al10 evoluigis torakan komputilan tomografion (KT) uzante 3D-presadon kaj silikonan gisadteknologion por reprodukti la KT-intensecon de diversaj pulmaj lezoj por taksi la precizecon de kvantigo. Tamen, ĉi tiuj prototipoj ofte estas faritaj el materialoj, kies efikaj ecoj estas tre malsamaj ol tiuj de pulma histo11.
Nuntempe, plej multaj pulmaj fantomoj estas faritaj el silikono aŭ poliuretana ŝaŭmo, kiuj ne kongruas kun la mekanikaj kaj radiologiaj ecoj de reala pulma parenkimo.12,13 Alginataj hidroĝeloj estas biokongruaj kaj estis vaste uzataj en hista inĝenierarto pro siaj agordeblaj mekanikaj ecoj.14 Tamen, reprodukti la ultramolan, ŝaŭmosimilan konsistencon bezonatan por pulma fantomo, kiu precize imitas la elastecon kaj plenigan strukturon de pulma histo, restas eksperimenta defio.
En ĉi tiu studo, oni supozis, ke pulma histo estas homogena elasta materialo. La denseco de homa pulma histo (\(\:\rho\:\)) estas raportita je 1.06 g/cm³, kaj la denseco de la plenblovita pulmo estas 0.26 g/cm³15. Larĝa gamo de modulo de Young (MY) valoroj de pulma histo estis akirita uzante malsamajn eksperimentajn metodojn. Lai-Fook et al. [16] mezuris la YM de homa pulmo kun uniforma plenblovado je 0.42–6.72 kPa. Goss et al. [17] uzis magnetan resonancan elastografion kaj raportis YM de 2.17 kPa. Liu et al. [18] raportis rekte mezuritan YM de 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi et al. [19] taksis la YM je 0.1–2.7 kPa surbaze de 4D CT-datumoj akiritaj de elektitaj pacientoj.
Por la radiologiaj ecoj de la pulmo, pluraj parametroj estas uzataj por priskribi la interagan konduton de pulma histo kun rentgenradioj, inkluzive de la elementa konsisto, elektrona denseco (\(\:{\rho\:}_{e}\)), efika atomnumero (\(\:{Z}_{eff}\)), meza ekscita energio (\(\:I\)), masa atenuiĝa koeficiento (\(\:\mu\:/\rho\:\)) kaj la Hounsfield-unuo (HU), kiu estas rekte rilata al \(\:\mu\:/\rho\:\).
Elektrondenseco (\:{\rho\:}_{e}\) estas difinita kiel la nombro de elektronoj por unuo de volumeno kaj estas kalkulata jene:
kie ∫(\:\rho\:\) estas la denseco de la materialo en g/cm³, ∫(\:{N}_{A}\) estas la konstanto de Avogadro, ∫(\:{w}_{i}\) estas la masa frakcio, ∫(\:{Z}_{i}\) estas la atomnumero, kaj ∫(\:{A}_{i}\) estas la atompezo de la i-a elemento.
La atomnumero estas rekte rilata al la naturo de la radia interagado ene de la materialo. Por kombinaĵoj kaj miksaĵoj enhavantaj plurajn elementojn (ekz., ŝtofoj), la efika atomnumero ∫(Z)_{eff}) devas esti kalkulita. La formulon proponis Murthy et al. 20:
La averaĝa ekscita energio ∏ (\:I\) priskribas kiom facile la cela materialo sorbas la kinetan energion de la penetrantaj partikloj. Ĝi priskribas nur la ecojn de la cela materialo kaj havas nenion komunan kun la ecoj de la partikloj. ∏ (\:I\) povas esti kalkulita aplikante la aditivecan regulon de Bragg:
La koeficiento de amasa malfortiĝo (\:\mu\:/\rho\:\) priskribas la penetron kaj energiliberigon de fotonoj en la cela materialo. Ĝi kalkuleblas per la jena formulo:
Kie \(\:x\) estas la dikeco de la materialo, \(\:{I}_{0}\) estas la intenseco de la incida lumo, kaj \(\:I\) estas la intenseco de la fotono post penetrado en la materialon. Datumoj de \(\:\mu\:/\rho\:\) povas esti akiritaj rekte el la NIST 12621 Standards Reference Database. Valoroj de \(\:\mu\:/\rho\:\) por miksaĵoj kaj kombinaĵoj povas esti derivitaj uzante la aditivecan regulon jene:
HU estas normigita sendimensia mezurunuo de radiodenseco en la interpretado de komputitaj tomografiaj (KT) datumoj, kiu estas linie transformita el la mezurita atenuiĝa koeficiento ∫(\:\mu\:\). Ĝi estas difinita kiel:
kie \(\:{\mu\:}_{akvo}\) estas la atenuiĝa koeficiento de akvo, kaj \(\:{\mu\:}_{aero}\) estas la atenuiĝa koeficiento de aero. Tial, el formulo (6) ni vidas, ke la HU-valoro de akvo estas 0, kaj la HU-valoro de aero estas -1000. La HU-valoro por homaj pulmoj varias de -600 ĝis -70022.
Pluraj histo-ekvivalentaj materialoj estis evoluigitaj. Griffith kaj aliaj [23] evoluigis histo-ekvivalentan modelon de la homa torso farita el poliuretano (PU) al kiu diversaj koncentriĝoj de kalcia karbonato (CaCO3) estis aldonitaj por simuli la liniajn atenuiĝajn koeficientojn de diversaj homaj organoj, inkluzive de la homa pulmo, kaj la modelo estis nomita Griffith. Taylor [24] prezentis duan pulmo-histan ekvivalentan modelon evoluigitan de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), nomitan LLLL1. Traub kaj aliaj [25] evoluigis novan pulmo-histan anstataŭaĵon uzante Foamex XRS-272 enhavantan 5.25% CaCO3 kiel rendimentan plibonigilon, kiu estis nomita ALT2. Tabeloj 1 kaj 2 montras komparon de \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) kaj la masaj atenuiĝaj koeficientoj por la homa pulmo (ICRU-44) kaj la supre menciitaj histo-ekvivalentaj modeloj.
Malgraŭ la bonegaj radiologiaj ecoj atingitaj, preskaŭ ĉiuj fantomaj materialoj estas faritaj el polistirena ŝaŭmo, kio signifas, ke la mekanikaj ecoj de ĉi tiuj materialoj ne povas alproksimiĝi al tiuj de homaj pulmoj. La modulo de Young (YM) de poliuretana ŝaŭmo estas ĉirkaŭ 500 kPa, kio estas malproksima de ideala kompare kun normalaj homaj pulmoj (ĉirkaŭ 5-10 kPa). Tial necesas disvolvi novan materialon, kiu povas plenumi la mekanikajn kaj radiologiajn karakterizaĵojn de realaj homaj pulmoj.
Hidroĝeloj estas vaste uzataj en hista inĝenierarto. Ilia strukturo kaj ecoj similas al tiuj de la eksterĉela matrico (ECM) kaj estas facile alĝustigeblaj. En ĉi tiu studo, pura natria alginato estis elektita kiel la biomaterialo por la preparado de ŝaŭmoj. Alginataj hidroĝeloj estas biokongruaj kaj vaste uzataj en hista inĝenierarto pro siaj alĝustigeblaj mekanikaj ecoj. La elementa konsisto de natria alginato (C6H7NaO6)n kaj la ĉeesto de Ca2+ permesas alĝustigi ĝiajn radiologiajn ecojn laŭbezone. Ĉi tiu kombinaĵo de alĝustigeblaj mekanikaj kaj radiologiaj ecoj igas alginatajn hidroĝelojn idealaj por nia studo. Kompreneble, alginataj hidroĝeloj ankaŭ havas limigojn, precipe rilate al longdaŭra stabileco dum simulitaj spiraj cikloj. Tial, pliaj plibonigoj estas necesaj kaj atendataj en estontaj studoj por trakti ĉi tiujn limigojn.
En ĉi tiu laboro, ni evoluigis alginatan hidroĝelan ŝaŭman materialon kun kontroleblaj rho-valoroj, elasteco kaj radiologiaj ecoj similaj al tiuj de homa pulma histo. Ĉi tiu studo provizos ĝeneralan solvon por fabriki histo-similajn fantomojn kun agordeblaj elastaj kaj radiologiaj ecoj. La materialaj ecoj povas esti facile adaptitaj al iu ajn homa histo kaj organo.
La cela aero-volumena proporcio de la hidroĝela ŝaŭmo estis kalkulita surbaze de la HU-intervalo de homaj pulmoj (-600 ĝis -700). Oni supozis, ke la ŝaŭmo estis simpla miksaĵo de aero kaj sinteza alginata hidroĝelo. ​​Uzante simplan adiciregulon de individuaj elementoj \(\:\mu\:/\rho\:\), la volumena frakcio de aero kaj la volumena proporcio de la sintezita alginata hidroĝelo povus esti kalkulitaj.
Alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj estis preparitaj uzante natrian alginaton (Parto-numero W201502), CaCO3 (Parto-numero 795445, MW: 100.09), kaj GDL (Parto-numero G4750, MW: 178.14) aĉetitajn de Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70%-a Natria Laŭrila Etera Sulfato (SLES 70) estis aĉetita de Renowned Trading LLC. Deionigita akvo estis uzata en la ŝaŭma preparprocezo. Natria alginato estis solvita en deionigita akvo je ĉambra temperaturo kun konstanta kirlado (600 rpm) ĝis homogena flava travidebla solvaĵo estis akirita. CaCO3 en kombinaĵo kun GDL estis uzata kiel Ca2+-fonto por iniciati ĝeligon. SLES 70 estis uzata kiel surfaktanto por formi poran strukturon ene de la hidroĝelo. ​​La alginata koncentriĝo estis konservita je 5% kaj la Ca2+:-COOH molara proporcio estis konservita je 0.18. La molara proporcio CaCO3:GDL ankaŭ estis konservita je 0.5 dum la ŝaŭmopreparado por konservi neŭtralan pH. La valoro estas 26. 2% laŭ volumeno de SLES 70 estis aldonita al ĉiuj specimenoj. Beaker kun kovrilo estis uzata por kontroli la miksan proporcion de la solvaĵo kaj aero. La tuta volumeno de la beaker estis 140 ml. Surbaze de la teoriaj kalkulrezultoj, malsamaj volumoj de la miksaĵo (50 ml, 100 ml, 110 ml) estis aldonitaj al la beaker por miksi kun aero. La specimeno enhavanta 50 ml da la miksaĵo estis desegnita por miksi kun sufiĉa aero, dum la aervolumena proporcio en la aliaj du specimenoj estis kontrolita. Unue, SLES 70 estis aldonita al la alginata solvaĵo kaj kirlita per elektra kirlilo ĝis tute miksita. Poste, la CaCO3-suspendo estis aldonita al la miksaĵo kaj kirlita kontinue ĝis la miksaĵo estis tute miksita, kiam ĝia koloro ŝanĝiĝis al blanka. Fine, la GDL-solvaĵo estis aldonita al la miksaĵo por komenci ĝeligon, kaj mekanika kirlado estis konservita dum la tuta procezo. Por la specimeno enhavanta 50 ml da la miksaĵo, la mekanika kirlado estis ĉesigita kiam la volumeno de la miksaĵo ĉesis ŝanĝiĝi. Por la specimenoj enhavantaj 100 ml kaj 110 ml da la miksaĵo, la mekanika kirlado estis ĉesigita kiam la miksaĵo plenigis la beakron. Ni ankaŭ provis prepari hidroĝelajn ŝaŭmojn kun volumeno inter 50 ml kaj 100 ml. Tamen, struktura malstabileco de la ŝaŭmo estis observita, ĉar ĝi fluktuis inter la stato de kompleta aera miksado kaj la stato de aervolumenokontrolo, rezultante en malkonsekvenca volumenkontrolo. Ĉi tiu malstabileco enkondukis necertecon en la kalkulojn, kaj tial ĉi tiu volumenintervalo ne estis inkludita en ĉi tiu studo.
La denseco rho de hidroĝela ŝaŭmo estas kalkulata per mezurado de la maso m kaj volumeno V de hidroĝela ŝaŭma specimeno.
Optikaj mikroskopaj bildoj de hidroĝelaj ŝaŭmoj estis akiritaj per fotilo Zeiss Axio Observer A1. La programaro ImageJ estis uzata por kalkuli la nombron kaj grandecdistribuon de poroj en specimeno en certa areo surbaze de la akiritaj bildoj. Oni supozas, ke la porformo estas cirkla.
Por studi la mekanikajn ecojn de la alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj, unu-aksaj kunpremaj testoj estis faritaj uzante maŝinon TESTRESOURCES serio 100. La specimenoj estis tranĉitaj en rektangulajn blokojn kaj la blokaj dimensioj estis mezuritaj por kalkuli la streĉojn kaj deformadojn. La rapido de la kruckapo estis agordita je 10 mm/min. Tri specimenoj estis testitaj por ĉiu specimeno kaj la meznombro kaj norma devio estis kalkulitaj el la rezultoj. Ĉi tiu studo fokusiĝis al la kunpremaj mekanikaj ecoj de la alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj, ĉar la pulma histo estas submetita al kunpremaj fortoj en certa stadio de la spira ciklo. La etendebleco estas kompreneble decida, precipe por reflekti la plenan dinamikan konduton de la pulma histo kaj tio estos esplorita en estontaj studoj.
La preparitaj hidroĝelaj ŝaŭmaj specimenoj estis skanitaj per dukanala komputila tomografio (KT) Siemens SOMATOM Drive. La skanaj parametroj estis agorditaj jene: 40 mAs, 120 kVp kaj 1 mm tranĉdikeco. La rezultantaj DICOM-dosieroj estis analizitaj per la programaro MicroDicom DICOM Viewer por analizi la HU-valorojn de 5 sekcoj de ĉiu specimeno. La HU-valoroj akiritaj per KT estis komparitaj kun teoriaj kalkuloj bazitaj sur la densecaj datumoj de la specimenoj.
La celo de ĉi tiu studo estas revolucii la fabrikadon de individuaj organmodeloj kaj artefaritaj biologiaj histoj per la inĝenierado de molaj materialoj. Evoluigi materialojn kun mekanikaj kaj radiologiaj ecoj, kiuj kongruas kun la labormekaniko de homaj pulmoj, estas grava por celitaj aplikoj kiel plibonigo de medicina trejnado, kirurgia planado kaj radioterapia planado. En Figuro 1A, ni grafike montris la diferencon inter la mekanikaj kaj radiologiaj ecoj de molaj materialoj supozeble uzataj por fabriki homajn pulmmodelojn. Ĝis nun, oni evoluigis materialojn, kiuj montras la deziratajn radiologiajn ecojn, sed iliaj mekanikaj ecoj ne plenumas la deziratajn postulojn. Poliuretana ŝaŭmo kaj kaŭĉuko estas la plej vaste uzataj materialoj por fabrikado de deformeblaj homaj pulmmodeloj. La mekanikaj ecoj de poliuretana ŝaŭmo (modulo de Young, YM) estas tipe 10 ĝis 100 fojojn pli grandaj ol tiuj de normala homa pulma histo. Materialoj, kiuj montras kaj la deziratajn mekanikajn kaj radiologiajn ecojn, ankoraŭ ne estas konataj.
(A) Skemata prezento de la ecoj de diversaj molaj materialoj kaj komparo kun homa pulmo rilate al denseco, modulo de Young kaj radiologiaj ecoj (en HU). (B) Rentgen-difrakta bildo de \(\:\mu\:/\rho\:\) alginata hidroĝelo kun koncentriĝo de 5% kaj Ca2+:-COOH molara proporcio de 0.18. (C) Gamo de aervolumenaj proporcioj en hidroĝelaj ŝaŭmoj. (D) Skemata prezento de alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj.
La elementa konsisto de alginataj hidroĝeloj kun koncentriĝo de 5% kaj molara proporcio Ca2+:-COOH de 0.18 estis kalkulita, kaj la rezultoj estas montritaj en Tabelo 3. Laŭ la adicia regulo en la antaŭa formulo (5), la masa atenuiga koeficiento de alginata hidroĝelo \(\:\:\mu\:/\rho\:\) estas akirita kiel montrite en Figuro 1B.
La valoroj \(\:\mu\:/\rho\:\) por aero kaj akvo estis akiritaj rekte el la referenca datumbazo de normoj NIST 12612. Tiel, Figuro 1C montras la kalkulitajn aervolumenajn proporciojn en hidroĝelaj ŝaŭmoj kun HU-ekvivalentaj valoroj inter -600 kaj -700 por la homa pulmo. La teorie kalkulita aervolumena proporcio estas stabila ene de 60–70% en la energia intervalo de 1 × 10⁻³ ĝis 2 × 10⁻¹ MeV, indikante bonan potencialon por la apliko de hidroĝela ŝaŭmo en postaj fabrikadaj procezoj.
Figuro 1D montras la preparitan specimenon de alginata hidroĝela ŝaŭmo. Ĉiuj specimenoj estis tranĉitaj en kubojn kun randolongo de 12.7 mm. La rezultoj montris, ke homogena, tridimensie stabila hidroĝela ŝaŭmo formiĝis. Sendepende de la aervolumena proporcio, neniuj signifaj diferencoj en la aspekto de la hidroĝelaj ŝaŭmoj estis observitaj. La memsubtena naturo de la hidroĝela ŝaŭmo sugestas, ke la reto formita ene de la hidroĝelo estas sufiĉe forta por subteni la pezon de la ŝaŭmo mem. Krom malgranda kvanto da akvelfluado el la ŝaŭmo, la ŝaŭmo ankaŭ montris paseman stabilecon dum pluraj semajnoj.
Per mezurado de la maso kaj volumeno de la ŝaŭma specimeno, la denseco de la preparita hidroĝela ŝaŭmo \(\:\rho\:\) estis kalkulita, kaj la rezultoj estas montritaj en Tabelo 4. La rezultoj montras la dependecon de \(\:\rho\:\) de la volumena proporcio de aero. Kiam sufiĉe da aero estas miksita kun 50 ml da specimeno, la denseco fariĝas la plej malalta kaj estas 0,482 g/cm³. Kiam la kvanto de miksita aero malpliiĝas, la denseco pliiĝas al 0,685 g/cm³. La maksimuma p-valoro inter la grupoj de 50 ml, 100 ml kaj 110 ml estis 0,004 < 0,05, indikante la statistikan signifon de la rezultoj.
La teoria valoro \(\:\rho\:\) estas ankaŭ kalkulata uzante la kontrolitan aervolumenproporcion. La mezuritaj rezultoj montras, ke \(\:\rho\:\) estas 0.1 g/cm³ pli malgranda ol la teoria valoro. Ĉi tiu diferenco povas esti klarigita per la interna streĉo generita en la hidroĝelo dum la ĝeliga procezo, kiu kaŭzas ŝveliĝon kaj tiel kondukas al malpliiĝo de \(\:\rho\:\). Ĉi tio estis plue konfirmita per la observado de kelkaj breĉoj ene de la hidroĝela ŝaŭmo en la komputilaj tomografioj montritaj en Figuro 2 (A, B kaj C).
Optikaj mikroskopaj bildoj de hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenoj (A) 50, (B) 100, kaj (C) 110. Ĉelnombroj kaj porgrandecdistribuo en alginataj hidroĝelaj ŝaŭmaj specimenoj (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figuro 3 (A, B, C) montras la bildojn per optika mikroskopo de la hidroĝelaj ŝaŭmaj specimenoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj. La rezultoj montras la optikan strukturon de la hidroĝela ŝaŭmo, klare montrante la bildojn de poroj kun malsamaj diametroj. La distribuo de pornombro kaj diametro estis kalkulita per ImageJ. Ses bildoj estis prenitaj por ĉiu specimeno, ĉiu bildo havis grandecon de 1125.27 μm × 843.96 μm, kaj la tuta analizita areo por ĉiu specimeno estis 5.7 mm².
(A) Kunprema streĉo-deforma konduto de alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj. (B) Eksponenta alĝustigo. (C) Kunpremo E0 de hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj. (D) Finfina kunprema streĉo kaj deformacio de alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj.
Figuro 3 (D, E, F) montras, ke la distribuo de porgrandeco estas relative uniforma, variante de dekoj da mikrometroj ĝis ĉirkaŭ 500 mikrometroj. La porgrandeco estas baze uniforma, kaj ĝi malpliiĝas iomete kiam la aervolumeno malpliiĝas. Laŭ la testaj datumoj, la averaĝa porgrandeco de la 50 ml specimeno estas 192,16 μm, la mediano estas 184,51 μm, kaj la nombro de poroj po unuo de areo estas 10⁵; la averaĝa porgrandeco de la 100 ml specimeno estas 156,62 μm, la mediano estas 151,07 μm, kaj la nombro de poroj po unuo de areo estas 10⁶; la respondaj valoroj de la 110 ml specimeno estas 163,07 μm, 150,29 μm kaj 115, respektive. La datumoj montras, ke pli grandaj poroj havas pli grandan influon sur la statistikajn rezultojn de la averaĝa porgrandeco, kaj la mediana porgrandeco povas pli bone reflekti la ŝanĝtendencon de la porgrandeco. Dum la specimena volumeno pligrandiĝas de 50 ml ĝis 110 ml, la nombro de poroj ankaŭ pligrandiĝas. Kombinante la statistikajn rezultojn de la mediana pordiametro kaj pornombro, oni povas konkludi, ke kun kreskanta volumeno, pli da poroj de pli malgranda grandeco formiĝas ene de la specimeno.
La mekanikaj testodatumoj estas montritaj en Figuroj 4A kaj 4D. Figuro 4A montras la kunpreman streĉo-deforman konduton de la preparitaj hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj. La rezultoj montras, ke ĉiuj specimenoj havas similan nelinearan streĉo-deforman konduton. Por ĉiu specimeno, la streĉo pliiĝas pli rapide kun kreskanta deformacio. Eksponenta kurbo estis alĝustigita al la kunprema streĉo-deforma konduto de la hidroĝela ŝaŭmo. Figuro 4B montras la rezultojn post apliko de la eksponenta funkcio kiel proksimuma modelo al la hidroĝela ŝaŭmo.
Por la hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj, ankaŭ ilia kunprema modulo (E0) estis studita. Simile al la analizo de la hidroĝeloj, la kunprema modulo de Young estis esplorita en la intervalo de 20% komenca deformo. La rezultoj de la kunpremaj testoj estas montritaj en Figuro 4C. La rezultoj en Figuro 4C montras, ke kiam la aervolumena proporcio malpliiĝas de specimeno 50 al specimeno 110, la kunprema modulo de Young E0 de la alginata hidroĝela ŝaŭmo pliiĝas de 10.86 kPa ĝis 18 kPa.
Simile, la kompletaj streĉo-deformaj kurboj de la hidroĝelaj ŝaŭmoj, same kiel la finfinaj kunpremaj streĉoj kaj deformaj valoroj, estis akiritaj. Figuro 4D montras la finfinan kunpreman streĉon kaj deformadon de la alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj. Ĉiu datenpunkto estas la averaĝo de tri testrezultoj. La rezultoj montras, ke la finfina kunprema streĉo pliiĝas de 9,84 kPa ĝis 17,58 kPa kun malkreskanta gasenhavo. La finfina deformado restas stabila je ĉirkaŭ 38%.
Figuro 2 (A, B, kaj C) montras la komputilajn tomografiajn bildojn de hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj respondantaj al specimenoj 50, 100, kaj 110, respektive. La bildoj montras, ke la formita hidroĝela ŝaŭmo estas preskaŭ homogena. Malgranda nombro da interspacoj estis observita en specimenoj 100 kaj 110. La formado de ĉi tiuj interspacoj eble ŝuldiĝas al la interna streĉo generita en la hidroĝelo dum la ĝeliga procezo. Ni kalkulis la HU-valorojn por 5 sekcoj de ĉiu specimeno kaj listigis ilin en Tabelo 5 kune kun la respondaj teoriaj kalkulrezultoj.
Tabelo 5 montras, ke la specimenoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj atingis malsamajn HU-valorojn. La maksimuma p-valoro inter la grupoj de 50 ml, 100 ml kaj 110 ml estis 0,004 < 0,05, indikante la statistikan signifon de la rezultoj. Inter la tri testitaj specimenoj, la specimeno kun 50 ml da miksaĵo havis la radiologiajn ecojn plej proksimajn al tiuj de homaj pulmoj. La lasta kolumno de Tabelo 5 estas la rezulto akirita per teoria kalkulo bazita sur la mezurita ŝaŭmovaloro \(\:\rho\:\). Komparante la mezuritajn datumojn kun la teoriaj rezultoj, oni povas trovi, ke la HU-valoroj akiritaj per CT-skanado estas ĝenerale proksimaj al la teoriaj rezultoj, kio siavice konfirmas la rezultojn de la kalkulo de la aervolumenaj proporcioj en Figuro 1C.
La ĉefa celo de ĉi tiu studo estas krei materialon kun mekanikaj kaj radiologiaj ecoj kompareblaj al tiuj de homaj pulmoj. Ĉi tiu celo estis atingita per disvolviĝo de hidroĝel-bazita materialo kun adaptitaj histo-ekvivalentaj mekanikaj kaj radiologiaj ecoj, kiuj estas kiel eble plej proksimaj al tiuj de homaj pulmoj. Gvidate de teoriaj kalkuloj, hidroĝelaj ŝaŭmoj kun malsamaj aervolumenaj proporcioj estis preparitaj per meĥanike miksado de natria alginata solvaĵo, CaCO3, GDL kaj SLES 70. Morfologia analizo montris, ke homogena tridimensia stabila hidroĝela ŝaŭmo formiĝis. Ŝanĝante la aervolumenan proporcion, la denseco kaj poreco de la ŝaŭmo povas esti variigitaj laŭvole. Kun la pliiĝo de la aervolumena enhavo, la porgrandeco iomete malpliiĝas kaj la nombro de poroj pliiĝas. Kunpremaj testoj estis faritaj por analizi la mekanikajn ecojn de la alginataj hidroĝelaj ŝaŭmoj. La rezultoj montris, ke la kunprema modulo (E0) akirita de la kunpremaj testoj estas en la ideala intervalo por homaj pulmoj. E0 pliiĝas kiam la aervolumena proporcio malpliiĝas. La valoroj de la radiologiaj ecoj (HU) de la preparitaj specimenoj estis akiritaj surbaze de la komputilaj tomografioj (CT) de la specimenoj kaj komparitaj kun la rezultoj de teoriaj kalkuloj. La rezultoj estis favoraj. La mezurita valoro ankaŭ estas proksima al la HU-valoro de homaj pulmoj. La rezultoj montras, ke eblas krei histo-imitantajn hidroĝelajn ŝaŭmojn kun ideala kombinaĵo de mekanikaj kaj radiologiaj ecoj, kiuj imitas la ecojn de homaj pulmoj.
Malgraŭ la esperigaj rezultoj, la nunaj fabrikadmetodoj bezonas esti plibonigitaj por pli bone kontroli la aervolumenan proporcion kaj porecon, por kongrui kun antaŭdiroj de teoriaj kalkuloj kaj realaj homaj pulmoj je kaj tutmondaj kaj lokaj skaloj. La nuna studo ankaŭ limiĝas al testado de la kunprema mekaniko, kio limigas la eblan aplikon de la fantomo al la kunprema fazo de la spira ciklo. Estonta esplorado profitus de esplorado de streĉa testado same kiel la ĝenerala mekanika stabileco de la materialo por taksi eblajn aplikojn sub dinamikaj ŝarĝkondiĉoj. Malgraŭ ĉi tiuj limigoj, la studo markas la unuan sukcesan provon kombini radiologiajn kaj mekanikajn ecojn en ununura materialo, kiu imitas la homan pulmon.
La datumaroj generitaj kaj/aŭ analizitaj dum la nuna studo estas haveblaj de la koresponda aŭtoro laŭ racia peto. Kaj eksperimentoj kaj datumaroj estas reprodukteblaj.
Song, G., et al. Novaj nanoteknologioj kaj progresintaj materialoj por kancera radioterapio. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Raporto de la AAPM 76a Speciala Grupo pri Spira Movado-Administrado en Radiada Onkologio. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., kaj Brock, KK. Modelado de la interfaco kaj materialaj nelinearecoj en la homa pulmo. Fiziko kaj Medicino kaj Biologio 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumor-simila pulmakancera modelo generita per 3D biopresado. 3. Bioteknologio. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelado de pulmdeformado: metodo kombinanta teknikojn de deformeblaj bildregistrado kaj space varian taksadon de la modulo de Young. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Rigideco de vivanta histo kaj ĝiaj implicoj por hista inĝenierarto. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).