Terima kasih kerana melayari nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan menggunakan versi pelayar terkini (atau mematikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan sokongan berterusan, laman web ini tidak akan menyertakan gaya atau JavaScript.
Pergerakan organ dan tisu boleh menyebabkan ralat dalam kedudukan sinar-X semasa radioterapi. Oleh itu, bahan dengan sifat mekanikal dan radiologi yang setara dengan tisu diperlukan untuk meniru pergerakan organ bagi pengoptimuman radioterapi. Walau bagaimanapun, pembangunan bahan sedemikian masih menjadi cabaran. Hidrogel alginat mempunyai sifat yang serupa dengan matriks ekstraselular, menjadikannya berpotensi sebagai bahan setara dengan tisu. Dalam kajian ini, buih hidrogel alginat dengan sifat mekanikal dan radiologi yang diingini telah disintesis melalui pembebasan Ca2+ in situ. Nisbah udara-ke-isipadu dikawal dengan teliti untuk mendapatkan buih hidrogel dengan sifat mekanikal dan radiologi yang jelas. Makro dan mikromorfologi bahan dicirikan, dan tingkah laku buih hidrogel di bawah mampatan dikaji. Sifat radiologi dianggarkan secara teori dan disahkan secara eksperimen menggunakan tomografi berkomputer. Kajian ini memberi gambaran tentang perkembangan masa depan bahan setara dengan tisu yang boleh digunakan untuk pengoptimuman dos sinaran dan kawalan kualiti semasa radioterapi.
Terapi radiasi merupakan rawatan biasa untuk kanser1. Pergerakan organ dan tisu sering menyebabkan ralat dalam kedudukan sinar-X semasa terapi radiasi2, yang boleh mengakibatkan rawatan tumor yang tidak mencukupi dan pendedahan berlebihan sel-sel sihat di sekeliling kepada radiasi yang tidak perlu. Keupayaan untuk meramalkan pergerakan organ dan tisu adalah penting untuk meminimumkan ralat penyetempatan tumor. Kajian ini memberi tumpuan kepada paru-paru, kerana ia mengalami ubah bentuk dan pergerakan yang ketara apabila pesakit bernafas semasa terapi radiasi. Pelbagai model unsur terhingga telah dibangunkan dan digunakan untuk mensimulasikan pergerakan paru-paru manusia3,4,5. Walau bagaimanapun, organ dan tisu manusia mempunyai geometri yang kompleks dan sangat bergantung kepada pesakit. Oleh itu, bahan dengan sifat setara tisu sangat berguna untuk membangunkan model fizikal bagi mengesahkan model teori, memudahkan rawatan perubatan yang lebih baik, dan untuk tujuan pendidikan perubatan.
Pembangunan bahan peniru tisu lembut untuk mencapai geometri struktur luaran dan dalaman yang kompleks telah menarik banyak perhatian kerana ketidakkonsistenan mekanikal yang wujud boleh menyebabkan kegagalan dalam aplikasi sasaran6,7. Pemodelan biomekanik kompleks tisu paru-paru, yang menggabungkan kelembutan, keanjalan dan keliangan struktur yang melampau, menimbulkan cabaran yang ketara dalam membangunkan model yang menghasilkan semula paru-paru manusia dengan tepat. Integrasi dan pemadanan sifat mekanikal dan radiologi adalah penting untuk prestasi model paru-paru yang berkesan dalam intervensi terapeutik. Pembuatan aditif telah terbukti berkesan dalam membangunkan model khusus pesakit, membolehkan prototaip pantas reka bentuk yang kompleks. Shin et al. 8 membangunkan model paru-paru yang boleh dihasilkan semula dan boleh diubah bentuk dengan saluran udara bercetak 3D. Haselaar et al. 9 membangunkan hantu yang sangat serupa dengan pesakit sebenar untuk penilaian kualiti imej dan kaedah pengesahan kedudukan untuk radioterapi. Hong et al10 membangunkan model CT dada menggunakan teknologi percetakan 3D dan tuangan silikon untuk menghasilkan semula keamatan CT pelbagai lesi paru-paru untuk menilai ketepatan kuantifikasi. Walau bagaimanapun, prototaip ini selalunya diperbuat daripada bahan yang sifat berkesannya sangat berbeza daripada tisu paru-paru11.
Pada masa ini, kebanyakan fantom paru-paru diperbuat daripada silikon atau busa poliuretana, yang tidak sepadan dengan sifat mekanikal dan radiologi parenkim paru-paru sebenar.12,13 Hidrogel alginat adalah biokompatibel dan telah digunakan secara meluas dalam kejuruteraan tisu kerana sifat mekanikalnya yang boleh ditala.14 Walau bagaimanapun, menghasilkan semula konsistensi ultra lembut seperti busa yang diperlukan untuk fantom paru-paru yang meniru keanjalan dan struktur pengisian tisu paru-paru dengan tepat masih menjadi cabaran eksperimen.
Dalam kajian ini, diandaikan bahawa tisu paru-paru adalah bahan elastik yang homogen. Ketumpatan tisu paru-paru manusia (\(\:\rho\:\)) dilaporkan sebagai 1.06 g/cm3, dan ketumpatan paru-paru yang mengembang ialah 0.26 g/cm315. Pelbagai nilai modulus Young (MY) tisu paru-paru telah diperoleh menggunakan kaedah eksperimen yang berbeza. Lai-Fook et al. 16 mengukur YM paru-paru manusia dengan inflasi seragam menjadi 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 menggunakan elastografi resonans magnetik dan melaporkan YM sebanyak 2.17 kPa. Liu et al. 18 melaporkan YM yang diukur secara langsung sebanyak 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi et al. 19 menganggarkan YM menjadi 0.1–2.7 kPa berdasarkan data CT 4D yang diperoleh daripada pesakit terpilih.
Bagi sifat radiologi paru-paru, beberapa parameter digunakan untuk menggambarkan tingkah laku interaksi tisu paru-paru dengan sinar-X, termasuk komposisi unsur, ketumpatan elektron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), nombor atom berkesan (\(\:{Z}_{eff}\)), tenaga pengujaan min (\(\:I\)), pekali pelemahan jisim (\(\:\mu\:/\rho\:\)) dan unit Hounsfield (HU), yang berkaitan secara langsung dengan \(\:\mu\:/\rho\:\).
Ketumpatan elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) ditakrifkan sebagai bilangan elektron per unit isipadu dan dikira seperti berikut:
di mana \(\:\rho\:\) ialah ketumpatan bahan dalam g/cm3, \(\:{N}_{A}\) ialah pemalar Avogadro, \(\:{w}_{i}\) ialah pecahan jisim, \(\:{Z}_{i}\) ialah nombor atom, dan \(\:{A}_{i}\) ialah berat atom unsur ke-i.
Nombor atom berkait secara langsung dengan sifat interaksi sinaran dalam bahan tersebut. Bagi sebatian dan campuran yang mengandungi beberapa unsur (contohnya, fabrik), nombor atom berkesan \(\:{Z}_{eff}\) mesti dikira. Formula tersebut dicadangkan oleh Murthy et al. 20:
Tenaga pengujaan purata \(\:I\) menerangkan betapa mudahnya bahan sasaran menyerap tenaga kinetik zarah yang menembusi. Ia hanya menerangkan sifat bahan sasaran dan tidak ada kena mengena dengan sifat zarah tersebut. \(\:I\) boleh dikira dengan menggunakan peraturan keaditifan Bragg:
Pekali pelemahan jisim \(\:\mu\:/\rho\:\) menerangkan penembusan dan pembebasan tenaga foton dalam bahan sasaran. Ia boleh dikira menggunakan formula berikut:
Dengan \(\:x\) ialah ketebalan bahan, \(\:{I}_{0}\) ialah keamatan cahaya datang, dan \(\:I\) ialah keamatan foton selepas penembusan ke dalam bahan. Data \(\:\mu\:/\rho\:\) boleh didapati terus daripada Pangkalan Data Rujukan Piawaian NIST 12621. Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) untuk campuran dan sebatian boleh diperoleh menggunakan peraturan keaditifan seperti berikut:
HU ialah unit pengukuran radioketumpatan tanpa dimensi piawai dalam tafsiran data tomografi berkomputer (CT), yang diubah secara linear daripada pekali pelemahan yang diukur \(\:\mu\:\). Ia ditakrifkan sebagai:
di mana \(\:{\mu\:}_{air}\) ialah pekali pelemahan air, dan \(\:{\mu\:}_{air}\) ialah pekali pelemahan udara. Oleh itu, daripada formula (6) kita dapat melihat bahawa nilai HU air ialah 0, dan nilai HU udara ialah -1000. Nilai HU untuk paru-paru manusia adalah antara -600 hingga -70022.
Beberapa bahan setara tisu telah dibangunkan. Griffith et al. 23 membangunkan model setara tisu badan manusia yang diperbuat daripada poliuretana (PU) yang mana pelbagai kepekatan kalsium karbonat (CaCO3) telah ditambah untuk mensimulasikan pekali pelemahan linear pelbagai organ manusia termasuk paru-paru manusia, dan model tersebut dinamakan Griffith. Taylor24 membentangkan model setara tisu paru-paru kedua yang dibangunkan oleh Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore (LLNL), dinamakan LLLL1. Traub et al.25 membangunkan pengganti tisu paru-paru baharu menggunakan Foamex XRS-272 yang mengandungi 5.25% CaCO3 sebagai penambah prestasi, yang dinamakan ALT2. Jadual 1 dan 2 menunjukkan perbandingan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) dan pekali pelemahan jisim untuk paru-paru manusia (ICRU-44) dan model setara tisu di atas.
Walaupun sifat radiologi yang sangat baik dicapai, hampir semua bahan hantu diperbuat daripada busa polistirena, yang bermaksud bahawa sifat mekanikal bahan-bahan ini tidak dapat menyamai sifat paru-paru manusia. Modulus Young (YM) busa poliuretana adalah kira-kira 500 kPa, yang jauh daripada ideal berbanding paru-paru manusia biasa (kira-kira 5-10 kPa). Oleh itu, adalah perlu untuk membangunkan bahan baharu yang dapat memenuhi ciri-ciri mekanikal dan radiologi paru-paru manusia sebenar.
Hidrogel digunakan secara meluas dalam kejuruteraan tisu. Struktur dan sifatnya adalah serupa dengan matriks ekstraselular (ECM) dan mudah dilaraskan. Dalam kajian ini, natrium alginat tulen telah dipilih sebagai biobahan untuk penyediaan buih. Hidrogel alginat adalah biokompatibel dan digunakan secara meluas dalam kejuruteraan tisu kerana sifat mekanikalnya yang boleh dilaraskan. Komposisi unsur natrium alginat (C6H7NaO6)n dan kehadiran Ca2+ membolehkan sifat radiologinya dilaraskan mengikut keperluan. Gabungan sifat mekanikal dan radiologi yang boleh dilaraskan ini menjadikan hidrogel alginat sesuai untuk kajian kami. Sudah tentu, hidrogel alginat juga mempunyai batasan, terutamanya dari segi kestabilan jangka panjang semasa kitaran pernafasan simulasi. Oleh itu, penambahbaikan selanjutnya diperlukan dan dijangka dalam kajian masa hadapan untuk menangani batasan ini.
Dalam kajian ini, kami telah membangunkan bahan buih hidrogel alginat dengan nilai rho yang boleh dikawal, keanjalan dan sifat radiologi yang serupa dengan tisu paru-paru manusia. Kajian ini akan menyediakan penyelesaian umum untuk menghasilkan fabrik seperti tisu dengan sifat elastik dan radiologi yang boleh ditala. Sifat bahan ini boleh disesuaikan dengan mudah untuk mana-mana tisu dan organ manusia.
Nisbah udara sasaran kepada isipadu buih hidrogel dikira berdasarkan julat HU paru-paru manusia (-600 hingga -700). Diandaikan bahawa buih tersebut merupakan campuran mudah udara dan hidrogel alginat sintetik. Menggunakan peraturan penambahan mudah bagi unsur-unsur individu \(\:\mu\:/\rho\:\), pecahan isipadu udara dan nisbah isipadu hidrogel alginat yang disintesis dapat dikira.
Buih hidrogel alginat disediakan menggunakan natrium alginat (No. Bahagian W201502), CaCO3 (No. Bahagian 795445, MW: 100.09), dan GDL (No. Bahagian G4750, MW: 178.14) yang dibeli daripada Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Natrium Lauril Eter Sulfat (SLES 70) telah dibeli daripada Renowned Trading LLC. Air deionisasi telah digunakan dalam proses penyediaan buih. Natrium alginat dilarutkan dalam air deionisasi pada suhu bilik dengan pengacakan berterusan (600 rpm) sehingga larutan lut sinar kuning homogen diperoleh. CaCO3 dalam kombinasi dengan GDL digunakan sebagai sumber Ca2+ untuk memulakan gelasi. SLES 70 digunakan sebagai surfaktan untuk membentuk struktur berliang di dalam hidrogel. Kepekatan alginat dikekalkan pada 5% dan nisbah molar Ca2+:-COOH dikekalkan pada 0.18. Nisbah molar CaCO3:GDL juga dikekalkan pada 0.5 semasa penyediaan buih untuk mengekalkan pH neutral. Nilainya ialah 26. 2% isipadu SLES 70 telah ditambah kepada semua sampel. Sebuah bikar bertutup digunakan untuk mengawal nisbah pencampuran larutan dan udara. Jumlah isipadu bikar ialah 140 ml. Berdasarkan keputusan pengiraan teori, isipadu campuran yang berbeza (50 ml, 100 ml, 110 ml) telah ditambah ke dalam bikar untuk dicampur dengan udara. Sampel yang mengandungi 50 ml campuran direka bentuk untuk dicampur dengan udara yang mencukupi, manakala nisbah isipadu udara dalam dua sampel yang lain dikawal. Pertama, SLES 70 telah ditambah ke dalam larutan alginat dan dikacau dengan pengacau elektrik sehingga sebati sepenuhnya. Kemudian, suspensi CaCO3 telah ditambah ke dalam campuran dan dikacau secara berterusan sehingga campuran sebati, apabila warnanya berubah menjadi putih. Akhir sekali, larutan GDL telah ditambah ke dalam campuran untuk memulakan penggelasan, dan pengadukan mekanikal dikekalkan sepanjang proses. Bagi sampel yang mengandungi 50 ml campuran, pengacauan mekanikal dihentikan apabila isipadu campuran berhenti berubah. Bagi sampel yang mengandungi 100 ml dan 110 ml campuran, pengacauan mekanikal dihentikan apabila campuran memenuhi bikar. Kami juga cuba menyediakan buih hidrogel dengan isipadu antara 50 ml dan 100 ml. Walau bagaimanapun, ketidakstabilan struktur buih diperhatikan, kerana ia berubah-ubah antara keadaan pencampuran udara lengkap dan keadaan kawalan isipadu udara, mengakibatkan kawalan isipadu yang tidak konsisten. Ketidakstabilan ini menimbulkan ketidakpastian dalam pengiraan, dan oleh itu julat isipadu ini tidak dimasukkan dalam kajian ini.
Ketumpatan \(\:\rho\:\) buih hidrogel dikira dengan mengukur jisim \(\:m\) dan isipadu \(\:V\) sampel buih hidrogel.
Imej mikroskopik optik buih hidrogel diperoleh menggunakan kamera Zeiss Axio Observer A1. Perisian ImageJ digunakan untuk mengira bilangan dan taburan saiz liang dalam sampel di kawasan tertentu berdasarkan imej yang diperoleh. Bentuk liang diandaikan bulat.
Untuk mengkaji sifat mekanikal buih hidrogel alginat, ujian mampatan uniaksial telah dijalankan menggunakan mesin TESTRESOURCES siri 100. Sampel dipotong menjadi blok segi empat tepat dan dimensi blok diukur untuk mengira tegasan dan regangan. Kelajuan kepala silang ditetapkan pada 10 mm/min. Tiga sampel telah diuji untuk setiap sampel dan min dan sisihan piawai dikira daripada keputusan. Kajian ini memberi tumpuan kepada sifat mekanikal mampatan buih hidrogel alginat memandangkan tisu paru-paru tertakluk kepada daya mampatan pada peringkat tertentu kitaran pernafasan. Kebolehpanjangan sudah tentu penting, terutamanya untuk mencerminkan tingkah laku dinamik penuh tisu paru-paru dan ini akan disiasat dalam kajian masa hadapan.
Sampel buih hidrogel yang disediakan telah diimbas pada pengimbas CT dwi-saluran Siemens SOMATOM Drive. Parameter pengimbasan telah ditetapkan seperti berikut: 40 mAs, 120 kVp dan ketebalan kepingan 1 mm. Fail DICOM yang terhasil telah dianalisis menggunakan perisian MicroDicom DICOM Viewer untuk menganalisis nilai HU bagi 5 keratan rentas setiap sampel. Nilai HU yang diperoleh melalui CT telah dibandingkan dengan pengiraan teori berdasarkan data ketumpatan sampel.
Tujuan kajian ini adalah untuk merevolusikan fabrikasi model organ individu dan tisu biologi buatan dengan merekayasa bahan lembut. Membangunkan bahan dengan sifat mekanikal dan radiologi yang sepadan dengan mekanik kerja paru-paru manusia adalah penting untuk aplikasi yang disasarkan seperti menambah baik latihan perubatan, perancangan pembedahan dan perancangan terapi radiasi. Dalam Rajah 1A, kami memplotkan percanggahan antara sifat mekanikal dan radiologi bahan lembut yang mungkin digunakan untuk menghasilkan model paru-paru manusia. Sehingga kini, bahan telah dibangunkan yang mempamerkan sifat radiologi yang diingini, tetapi sifat mekanikalnya tidak memenuhi keperluan yang diingini. Busa poliuretana dan getah adalah bahan yang paling banyak digunakan untuk menghasilkan model paru-paru manusia yang boleh diubah bentuk. Sifat mekanikal busa poliuretana (modulus Young, YM) biasanya 10 hingga 100 kali lebih besar daripada tisu paru-paru manusia biasa. Bahan yang mempamerkan sifat mekanikal dan radiologi yang diingini masih belum diketahui.
(A) Perwakilan skematik sifat-sifat pelbagai bahan lembut dan perbandingan dengan paru-paru manusia dari segi ketumpatan, modulus Young dan sifat radiologi (dalam HU). (B) Corak pembelauan sinar-X hidrogel alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) dengan kepekatan 5% dan nisbah molar Ca2+:-COOH sebanyak 0.18. (C) Julat nisbah isipadu udara dalam buih hidrogel. (D) Perwakilan skematik buih hidrogel alginat dengan nisbah isipadu udara yang berbeza.
Komposisi unsur hidrogel alginat dengan kepekatan 5% dan nisbah molar Ca2+:-COOH sebanyak 0.18 telah dikira, dan hasilnya ditunjukkan dalam Jadual 3. Menurut peraturan penambahan dalam formula sebelumnya (5), pekali pelemahan jisim hidrogel alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) diperoleh seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1B.
Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) untuk udara dan air diperoleh terus daripada pangkalan data rujukan piawaian NIST 12612. Oleh itu, Rajah 1C menunjukkan nisbah isipadu udara yang dikira dalam buih hidrogel dengan nilai setara HU antara -600 dan -700 untuk paru-paru manusia. Nisbah isipadu udara yang dikira secara teorinya adalah stabil dalam lingkungan 60–70% dalam julat tenaga dari 1 × 10−3 hingga 2 × 101 MeV, menunjukkan potensi yang baik untuk aplikasi buih hidrogel dalam proses pembuatan hiliran.
Rajah 1D menunjukkan sampel buih hidrogel alginat yang telah disediakan. Semua sampel dipotong menjadi kiub dengan panjang tepi 12.7 mm. Keputusan menunjukkan bahawa buih hidrogel yang homogen dan stabil secara tiga dimensi telah terbentuk. Tanpa mengira nisbah isipadu udara, tiada perbezaan ketara dalam rupa buih hidrogel diperhatikan. Sifat buih hidrogel yang mengekalkan diri menunjukkan bahawa rangkaian yang terbentuk di dalam hidrogel cukup kuat untuk menyokong berat buih itu sendiri. Selain daripada sedikit kebocoran air daripada buih, buih juga menunjukkan kestabilan sementara selama beberapa minggu.
Dengan mengukur jisim dan isipadu sampel buih, ketumpatan buih hidrogel yang disediakan \(\:\rho\:\) telah dikira, dan hasilnya ditunjukkan dalam Jadual 4. Keputusan menunjukkan pergantungan \(\:\rho\:\) pada nisbah isipadu udara. Apabila udara yang mencukupi dicampurkan dengan 50 ml sampel, ketumpatan menjadi terendah dan ialah 0.482 g/cm3. Apabila jumlah udara campuran berkurangan, ketumpatan meningkat kepada 0.685 g/cm3. Nilai p maksimum antara kumpulan 50 ml, 100 ml dan 110 ml ialah 0.004 < 0.05, menunjukkan kepentingan statistik keputusan.
Nilai teori \(\:\rho\:\) juga dikira menggunakan nisbah isipadu udara terkawal. Keputusan yang diukur menunjukkan bahawa \(\:\rho\:\) adalah 0.1 g/cm³ lebih kecil daripada nilai teori. Perbezaan ini dapat dijelaskan oleh tekanan dalaman yang dihasilkan dalam hidrogel semasa proses gelasi, yang menyebabkan pembengkakan dan seterusnya menyebabkan penurunan \(\:\rho\:\). Ini disahkan selanjutnya oleh pemerhatian beberapa jurang di dalam buih hidrogel dalam imej CT yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (A, B dan C).
Imej mikroskop optik buih hidrogel dengan kandungan isipadu udara yang berbeza (A) 50, (B) 100, dan (C) 110. Nombor sel dan taburan saiz liang dalam sampel buih hidrogel alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Rajah 3 (A, B, C) menunjukkan imej mikroskop optik sampel buih hidrogel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza. Keputusan menunjukkan struktur optik buih hidrogel, dengan jelas menunjukkan imej liang dengan diameter yang berbeza. Taburan bilangan dan diameter liang dikira menggunakan ImageJ. Enam imej diambil untuk setiap sampel, setiap imej mempunyai saiz 1125.27 μm × 843.96 μm, dan jumlah luas yang dianalisis untuk setiap sampel ialah 5.7 mm².
(A) Tingkah laku tegasan-terikan mampatan busa hidrogel alginat dengan nisbah isipadu udara yang berbeza. (B) Pemadanan eksponen. (C) Mampatan E0 busa hidrogel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza. (D) Tegasan dan terikan mampatan muktamad busa hidrogel alginat dengan nisbah isipadu udara yang berbeza.
Rajah 3 (D, E, F) menunjukkan bahawa taburan saiz liang adalah agak seragam, antara puluhan mikrometer hingga kira-kira 500 mikrometer. Saiz liang pada asasnya seragam, dan ia berkurangan sedikit apabila isipadu udara berkurangan. Menurut data ujian, saiz liang purata sampel 50 ml ialah 192.16 μm, median ialah 184.51 μm, dan bilangan liang per unit luas ialah 103; saiz liang purata sampel 100 ml ialah 156.62 μm, median ialah 151.07 μm, dan bilangan liang per unit luas ialah 109; nilai yang sepadan bagi sampel 110 ml ialah masing-masing 163.07 μm, 150.29 μm dan 115. Data menunjukkan bahawa liang yang lebih besar mempunyai pengaruh yang lebih besar terhadap keputusan statistik saiz liang purata, dan saiz liang median boleh mencerminkan trend perubahan saiz liang dengan lebih baik. Apabila isipadu sampel meningkat daripada 50 ml kepada 110 ml, bilangan liang juga meningkat. Dengan menggabungkan keputusan statistik diameter liang median dan bilangan liang, dapat disimpulkan bahawa dengan peningkatan isipadu, lebih banyak liang bersaiz lebih kecil terbentuk di dalam sampel.
Data ujian mekanikal ditunjukkan dalam Rajah 4A dan 4D. Rajah 4A menunjukkan kelakuan tegasan-terikan mampatan bagi buih hidrogel yang disediakan dengan nisbah isipadu udara yang berbeza. Keputusan menunjukkan bahawa semua sampel mempunyai kelakuan tegasan-terikan tak linear yang serupa. Bagi setiap sampel, tegasan meningkat lebih cepat dengan peningkatan tegasan. Lengkung eksponen telah dipasangkan pada kelakuan tegasan-terikan mampatan bagi buih hidrogel. Rajah 4B menunjukkan keputusan selepas menggunakan fungsi eksponen sebagai model penghampiran pada buih hidrogel.
Bagi buih hidrogel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza, modulus mampatannya (E0) juga dikaji. Sama seperti analisis hidrogel, modulus mampatan Young telah dikaji dalam julat terikan awal 20%. Keputusan ujian mampatan ditunjukkan dalam Rajah 4C. Keputusan dalam Rajah 4C menunjukkan bahawa apabila nisbah isipadu udara berkurangan dari sampel 50 kepada sampel 110, modulus mampatan Young E0 bagi buih hidrogel alginat meningkat daripada 10.86 kPa kepada 18 kPa.
Begitu juga, lengkung tegasan-terikan lengkap bagi buih hidrogel, serta nilai tegasan mampatan dan terikan muktamad, telah diperoleh. Rajah 4D menunjukkan tegasan dan terikan mampatan muktamad bagi buih hidrogel alginat. Setiap titik data adalah purata tiga keputusan ujian. Keputusan menunjukkan bahawa tegasan mampatan muktamad meningkat daripada 9.84 kPa kepada 17.58 kPa dengan kandungan gas yang semakin berkurangan. Terikan muktamad kekal stabil pada kira-kira 38%.
Rajah 2 (A, B, dan C) menunjukkan imej CT bagi buih hidrogel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza masing-masing sepadan dengan sampel 50, 100, dan 110. Imej tersebut menunjukkan bahawa buih hidrogel yang terbentuk hampir homogen. Sebilangan kecil jurang diperhatikan dalam sampel 100 dan 110. Pembentukan jurang ini mungkin disebabkan oleh tegasan dalaman yang dihasilkan dalam hidrogel semasa proses gelasi. Kami mengira nilai HU untuk 5 keratan rentas setiap sampel dan menyenaraikannya dalam Jadual 5 bersama-sama dengan keputusan pengiraan teori yang sepadan.
Jadual 5 menunjukkan bahawa sampel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza memperoleh nilai HU yang berbeza. Nilai p maksimum antara kumpulan 50 ml, 100 ml dan 110 ml ialah 0.004 < 0.05, menunjukkan kepentingan statistik keputusan. Antara tiga sampel yang diuji, sampel dengan campuran 50 ml mempunyai sifat radiologi yang paling hampir dengan paru-paru manusia. Lajur terakhir Jadual 5 ialah keputusan yang diperoleh melalui pengiraan teori berdasarkan nilai buih yang diukur \(\:\rho\:\). Dengan membandingkan data yang diukur dengan keputusan teori, dapat didapati bahawa nilai HU yang diperoleh melalui pengimbasan CT secara amnya hampir dengan keputusan teori, yang seterusnya mengesahkan keputusan pengiraan nisbah isipadu udara dalam Rajah 1C.
Objektif utama kajian ini adalah untuk mencipta bahan dengan sifat mekanikal dan radiologi yang setanding dengan paru-paru manusia. Objektif ini dicapai dengan membangunkan bahan berasaskan hidrogel dengan sifat mekanikal dan radiologi setara tisu yang disesuaikan yang sedekat mungkin dengan paru-paru manusia. Berpandukan pengiraan teori, buih hidrogel dengan nisbah isipadu udara yang berbeza telah disediakan dengan mencampurkan larutan natrium alginat, CaCO3, GDL dan SLES 70 secara mekanikal. Analisis morfologi menunjukkan bahawa buih hidrogel tiga dimensi yang stabil dan homogen telah terbentuk. Dengan mengubah nisbah isipadu udara, ketumpatan dan keliangan buih boleh diubah mengikut kehendak. Dengan peningkatan kandungan isipadu udara, saiz liang sedikit berkurangan dan bilangan liang meningkat. Ujian mampatan telah dijalankan untuk menganalisis sifat mekanikal buih hidrogel alginat. Keputusan menunjukkan bahawa modulus mampatan (E0) yang diperoleh daripada ujian mampatan berada dalam julat ideal untuk paru-paru manusia. E0 meningkat apabila nisbah isipadu udara berkurangan. Nilai sifat radiologi (HU) sampel yang disediakan diperoleh berdasarkan data CT sampel dan dibandingkan dengan keputusan pengiraan teori. Keputusannya adalah baik. Nilai yang diukur juga hampir dengan nilai HU paru-paru manusia. Keputusan menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk menghasilkan buih hidrogel yang meniru tisu dengan gabungan ideal sifat mekanikal dan radiologi yang meniru sifat paru-paru manusia.
Walaupun keputusan yang memberangsangkan, kaedah fabrikasi semasa perlu diperbaiki untuk mengawal nisbah isipadu udara dan keliangan dengan lebih baik agar sepadan dengan ramalan daripada pengiraan teori dan paru-paru manusia sebenar pada skala global dan tempatan. Kajian semasa juga terhad kepada menguji mekanik mampatan, yang mengehadkan potensi aplikasi fantom pada fasa mampatan kitaran pernafasan. Penyelidikan masa depan akan mendapat manfaat daripada penyiasatan ujian tegangan serta kestabilan mekanikal keseluruhan bahan untuk menilai potensi aplikasi di bawah keadaan pemuatan dinamik. Walaupun terdapat batasan ini, kajian ini menandakan percubaan pertama yang berjaya untuk menggabungkan sifat radiologi dan mekanikal dalam satu bahan yang meniru paru-paru manusia.
Set data yang dihasilkan dan/atau dianalisis semasa kajian semasa boleh didapati daripada penulis yang berkaitan atas permintaan yang munasabah. Kedua-dua eksperimen dan set data boleh dihasilkan semula.
Song, G., dkk. Nanoteknologi baharu dan bahan termaju untuk terapi radiasi kanser. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, dkk. Laporan Pasukan Petugas AAPM 76a mengenai Pengurusan Gerakan Pernafasan dalam Onkologi Sinaran. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., dan Brock, KK Memodelkan antara muka dan ketaklinearan bahan dalam paru-paru manusia. Fizik dan Perubatan dan Biologi 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., dkk. Model kanser paru-paru seperti tumor yang dihasilkan oleh bioprinting 3D. 3. Bioteknologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., dkk. Pemodelan ubah bentuk paru-paru: kaedah yang menggabungkan teknik pendaftaran imej boleh ubah bentuk dan anggaran modulus Young yang mengubah suai secara ruang. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF dkk. Kekakuan tisu hidup dan implikasinya terhadap kejuruteraan tisu. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).