Благодарим ви, че посетихте nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване препоръчваме да използвате най-новата версия на браузъра (или да изключите режима на съвместимост в Internet Explorer). Освен това, за да се гарантира непрекъсната поддръжка, този сайт няма да включва стилове или JavaScript.
Движението на органи и тъкани може да доведе до грешки в позиционирането на рентгеновите лъчи по време на лъчетерапия. Следователно, са необходими материали с тъканно-еквивалентни механични и радиологични свойства, за да се имитира движението на органите за оптимизиране на лъчетерапията. Разработването на такива материали обаче остава предизвикателство. Алгинатните хидрогелове имат свойства, подобни на тези на извънклетъчната матрица, което ги прави обещаващи като тъканно-еквивалентни материали. В това проучване, алгинатни хидрогелни пени с желани механични и радиологични свойства бяха синтезирани чрез in situ освобождаване на Ca2+. Съотношението въздух/обем беше внимателно контролирано, за да се получат хидрогелни пени с определени механични и радиологични свойства. Макро- и микроморфологията на материалите бяха характеризирани и беше проучено поведението на хидрогелните пени при компресия. Радиологичните свойства бяха оценени теоретично и проверени експериментално с помощта на компютърна томография. Това проучване хвърля светлина върху бъдещото разработване на тъканно-еквивалентни материали, които могат да бъдат използвани за оптимизиране на радиационната доза и контрол на качеството по време на лъчетерапия.
Лъчетерапията е често срещано лечение за рак1. Движението на органи и тъкани често води до грешки в позиционирането на рентгеновите лъчи по време на лъчетерапия2, което може да доведе до недостатъчно лечение на тумора и прекомерно облъчване на околните здрави клетки с ненужна радиация. Способността за прогнозиране на движението на органи и тъкани е от решаващо значение за минимизиране на грешките при локализация на тумора. Това проучване се фокусира върху белите дробове, тъй като те претърпяват значителни деформации и движения, когато пациентите дишат по време на лъчетерапия. Разработени и приложени са различни модели с крайни елементи за симулиране на движението на човешките бели дробове3,4,5. Човешките органи и тъкани обаче имат сложна геометрия и са силно зависими от пациента. Следователно, материалите с тъканно-еквивалентни свойства са много полезни за разработване на физически модели за валидиране на теоретични модели, улесняване на подобрено медицинско лечение и за целите на медицинското образование.
Разработването на материали, имитиращи меки тъкани, за постигане на сложни външни и вътрешни структурни геометрии, привлече много внимание, тъй като присъщите им механични несъответствия могат да доведат до неуспехи в целевите приложения6,7. Моделирането на сложната биомеханика на белодробната тъкан, която съчетава изключителна мекота, еластичност и структурна порьозност, представлява значително предизвикателство при разработването на модели, които точно възпроизвеждат човешкия бял дроб. Интегрирането и съчетаването на механични и радиологични свойства са от решаващо значение за ефективното представяне на белодробните модели при терапевтични интервенции. Адитивното производство се е доказало като ефективно при разработването на специфични за пациента модели, позволявайки бързо прототипиране на сложни дизайни. Shin et al.8 разработиха възпроизводим, деформируем белодробен модел с 3D-отпечатани дихателни пътища. Haselaar et al.9 разработиха фантом, много подобен на реални пациенти, за оценка на качеството на изображението и методи за проверка на позицията при лъчетерапия. Hong et al.10 разработиха КТ модел на гръдния кош, използвайки 3D печат и технология за леене със силикон, за да възпроизведат КТ интензитета на различни белодробни лезии, за да оценят точността на количественото определяне. Тези прототипи обаче често са изработени от материали, чиито ефективни свойства са много различни от тези на белодробната тъкан11.
В момента повечето белодробни фантоми са изработени от силикон или полиуретанова пяна, които не съответстват на механичните и радиологичните свойства на реалния белодробен паренхим.12,13 Алгинатните хидрогелове са биосъвместими и се използват широко в тъканното инженерство поради техните регулируеми механични свойства.14 Въпреки това, възпроизвеждането на ултрамеката, пяноподобна консистенция, необходима за белодробен фантом, който точно имитира еластичността и структурата на пълнене на белодробната тъкан, остава експериментално предизвикателство.
В това проучване се приема, че белодробната тъкан е хомогенен еластичен материал. Плътността на човешката белодробна тъкан (\(\:\rho\:\)) се съобщава, че е 1,06 g/cm3, а плътността на напомпвания бял дроб е 0,26 g/cm315. Широк диапазон от стойности на модула на Юнг (MY) на белодробната тъкан са получени с помощта на различни експериментални методи. Lai-Fook et al.16 измерват YM на човешки бял дроб с равномерно напомпване на 0,42–6,72 kPa. Goss et al.17 използват магнитно-резонансна еластография и съобщават за YM от 2,17 kPa. Liu et al.18 съобщават за директно измерен YM от 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al.19 оценяват YM на 0,1–2,7 kPa въз основа на 4D CT данни, получени от избрани пациенти.
За радиологичните свойства на белия дроб се използват няколко параметъра, за да се опише поведението на взаимодействие на белодробната тъкан с рентгеновите лъчи, включително елементарния състав, електронната плътност (\(\:{rho\:}_{e}\)\), ефективния атомен номер (\(\:{Z}_{eff}\)\), средната енергия на възбуждане (\(\:I\)\), коефициентът на затихване на масата (\(\:\mu\:/\rho\:\)\) и единицата на Хаунсфийлд (HU), която е пряко свързана с \(\:\mu\:/\rho\:\).
Електронната плътност (ρ) се определя като броя на електроните на единица обем и се изчислява, както следва:
където ρ е плътността на материала в g/cm3, N_{A} е константата на Авогадро, w_{i} е масовата фракция, Z_{i} е атомният номер и A_{i} е атомното тегло на i-тия елемент.
Атомният номер е пряко свързан с естеството на радиационното взаимодействие в материала. За съединения и смеси, съдържащи няколко елемента (напр. тъкани), трябва да се изчисли ефективният атомен номер \(\:{Z}_{eff}\). Формулата е предложена от Murthy et al.20:
Средната енергия на възбуждане \(\:I\) описва колко лесно целевият материал абсорбира кинетичната енергия на проникващите частици. Тя описва само свойствата на целевия материал и няма нищо общо със свойствата на частиците. \(\:I\) може да се изчисли чрез прилагане на правилото за адитивност на Браг:
Коефициентът на затихване на масата (μ/ρ) описва проникването и освобождаването на енергия на фотоните в целевия материал. Той може да се изчисли по следната формула:
Където \(\:x\) е дебелината на материала, \(\:{I}_{0}\) е интензитетът на падащата светлина и \(\:I\) е интензитетът на фотоните след проникване в материала. Данните за \(\:\mu\:/\rho\:\) могат да бъдат получени директно от базата данни със стандарти NIST 12621. Стойностите за \(\:\mu\:/\rho\:\) смеси и съединения могат да бъдат получени с помощта на правилото за адитивност, както следва:
HU е стандартизирана безразмерна единица за измерване на радиоплътността при интерпретацията на данни от компютърна томография (КТ), която се трансформира линейно от измерения коефициент на затихване (mu). Дефинира се като:
където \(\:{\mu\:}_{вода}\) е коефициентът на затихване на водата, а \(\:{\mu\:}_{въздух}\) е коефициентът на затихване на въздуха. Следователно, от формула (6) виждаме, че HU стойността на водата е 0, а HU стойността на въздуха е -1000. HU стойността за човешките бели дробове варира от -600 до -70022.
Разработени са няколко тъканно-еквивалентни материала. Грифит и др.23 разработиха тъканно-еквивалентен модел на човешки торс, изработен от полиуретан (PU), към който бяха добавени различни концентрации на калциев карбонат (CaCO3), за да се симулират линейните коефициенти на затихване на различни човешки органи, включително човешкия бял дроб, и моделът беше наречен Грифит. Тейлър24 представи втори модел на белодробно-тъканен еквивалент, разработен от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ (LLNL), наречен LLLL1. Трауб и др.25 разработиха нов заместител на белодробна тъкан, използвайки Foamex XRS-272, съдържащ 5,25% CaCO3 като подобрител на производителността, който беше наречен ALT2. Таблици 1 и 2 показват сравнение на \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) и коефициентите на масово затихване за човешкия бял дроб (ICRU-44) и горните тъканно-еквивалентни модели.
Въпреки постигнатите отлични радиологични свойства, почти всички фантомни материали са изработени от полистиролова пяна, което означава, че механичните свойства на тези материали не могат да се доближат до тези на човешките бели дробове. Модулът на Юнг (YM) на полиуретановата пяна е около 500 kPa, което е далеч от идеалното в сравнение с нормалните човешки бели дробове (около 5-10 kPa). Следователно е необходимо да се разработи нов материал, който да отговаря на механичните и радиологичните характеристики на истинските човешки бели дробове.
Хидрогеловете се използват широко в тъканното инженерство. Структурата и свойствата им са подобни на извънклетъчната матрица (ECM) и са лесно регулируеми. В това проучване чист натриев алгинат е избран като биоматериал за приготвяне на пени. Алгинатните хидрогелове са биосъвместими и широко използвани в тъканното инженерство поради техните регулируеми механични свойства. Елементарният състав на натриевия алгинат (C6H7NaO6)n и наличието на Ca2+ позволяват регулирането на радиологичните му свойства според нуждите. Тази комбинация от регулируеми механични и радиологични свойства прави алгинатните хидрогелове идеални за нашето изследване. Разбира се, алгинатните хидрогелове имат и ограничения, особено по отношение на дългосрочната стабилност по време на симулирани дихателни цикли. Следователно са необходими и се очакват допълнителни подобрения в бъдещи проучвания, за да се справят с тези ограничения.
В тази работа разработихме материал от пяна от алгинатен хидрогел с контролируеми стойности на rho, еластичност и радиологични свойства, подобни на тези на човешката белодробна тъкан. Това проучване ще предостави общо решение за изработване на тъканноподобни фантоми с регулируеми еластични и радиологични свойства. Свойствата на материала могат лесно да бъдат пригодени към всяка човешка тъкан и орган.
Целевото съотношение въздух/обем на хидрогелната пяна беше изчислено въз основа на HU диапазона на човешките бели дробове (-600 до -700). Беше прието, че пяната е проста смес от въздух и синтетичен алгинатен хидрогел. Използвайки просто правило за добавяне на отделните елементи (μ/ρ), можеха да се изчислят обемната фракция на въздуха и обемното съотношение на синтезирания алгинатен хидрогел.
Алгинатни хидрогелни пени бяха приготвени с помощта на натриев алгинат (част № W201502), CaCO3 (част № 795445, MW: 100.09) и GDL (част № G4750, MW: 178.14), закупени от Sigma-Aldrich Company, Сейнт Луис, Мисури. 70% натриев лаурил етер сулфат (SLES 70) беше закупен от Renowned Trading LLC. В процеса на приготвяне на пяната беше използвана дейонизирана вода. Натриевият алгинат беше разтворен в дейонизирана вода при стайна температура с постоянно разбъркване (600 rpm) до получаване на хомогенен жълт полупрозрачен разтвор. CaCO3 в комбинация с GDL беше използван като източник на Ca2+ за иницииране на желиране. SLES 70 беше използван като повърхностноактивно вещество за образуване на пореста структура вътре в хидрогела. Концентрацията на алгинат беше поддържана на 5%, а моларното съотношение Ca2+:-COOH беше поддържано на 0.18. Моларното съотношение CaCO3:GDL също се поддържаше на 0,5 по време на приготвянето на пяната, за да се поддържа неутрално pH. Стойността е 26,2% обемни SLES 70 беше добавен към всички проби. За контрол на съотношението на смесване на разтвора и въздуха беше използвана чаша с капак. Общият обем на чашата беше 140 ml. Въз основа на резултатите от теоретичните изчисления, различни обеми от сместа (50 ml, 100 ml, 110 ml) бяха добавени към чашата, за да се смесят с въздух. Пробата, съдържаща 50 ml от сместа, беше проектирана да се смесва с достатъчно въздух, докато съотношението на обема на въздуха в другите две проби беше контролирано. Първо, SLES 70 беше добавен към алгинатния разтвор и се разбърква с електрическа бъркалка, докато се смеси напълно. След това, суспензията CaCO3 беше добавена към сместа и се разбърква непрекъснато, докато сместа се смеси напълно, когато цветът ѝ се промени на бял. Накрая, разтворът GDL беше добавен към сместа, за да се инициира желиране, и механичното разбъркване се поддържаше през целия процес. За пробата, съдържаща 50 ml от сместа, механичното разбъркване беше спряно, когато обемът на сместа спря да се променя. За пробите, съдържащи 100 ml и 110 ml от сместа, механичното разбъркване беше спряно, когато сместа напълни чашата. Също така се опитахме да приготвим хидрогелни пени с обем между 50 ml и 100 ml. Наблюдавана е обаче структурна нестабилност на пяната, тъй като тя се колебаеше между състояние на пълно смесване на въздуха и състояние на контрол на обема на въздуха, което води до непостоянен контрол на обема. Тази нестабилност въведе несигурност в изчисленията и следователно този обемен диапазон не беше включен в това проучване.
Плътността (ρ) на хидрогелна пяна се изчислява чрез измерване на масата (m) и обема (V) на проба от хидрогелна пяна.
Оптични микроскопски изображения на хидрогелни пени са получени с помощта на камера Zeiss Axio Observer A1. Софтуерът ImageJ е използван за изчисляване на броя и разпределението на размера на порите в проба в определена област въз основа на получените изображения. Формата на порите се приема за кръгла.
За да се изследват механичните свойства на алгинатните хидрогелни пени, бяха проведени едноосни тестове за компресия с помощта на машина TESTRESOURCES серия 100. Пробите бяха нарязани на правоъгълни блокове и размерите на блоковете бяха измерени, за да се изчислят напреженията и деформациите. Скоростта на напречната глава беше зададена на 10 mm/min. За всяка проба бяха тествани три проби и от резултатите бяха изчислени средната стойност и стандартното отклонение. Това проучване се фокусира върху компресионните механични свойства на алгинатните хидрогелни пени, тъй като белодробната тъкан е подложена на компресионни сили на определен етап от дихателния цикъл. Разтегливостта, разбира се, е от решаващо значение, особено за да се отрази пълното динамично поведение на белодробната тъкан и това ще бъде изследвано в бъдещи проучвания.
Приготвените проби от хидрогелна пяна бяха сканирани на двуканален КТ скенер Siemens SOMATOM Drive. Параметрите на сканиране бяха зададени както следва: 40 mAs, 120 kVp и дебелина на среза 1 mm. Получените DICOM файлове бяха анализирани с помощта на софтуера MicroDicom DICOM Viewer за анализ на HU стойностите на 5 напречни сечения на всяка проба. HU стойностите, получени чрез КТ, бяха сравнени с теоретични изчисления, базирани на данните за плътността на пробите.
Целта на това проучване е да се революционизира производството на модели на отделни органи и изкуствени биологични тъкани чрез инженерство на меки материали. Разработването на материали с механични и радиологични свойства, които съответстват на работните механизми на човешките бели дробове, е важно за целенасочени приложения като подобряване на медицинското обучение, хирургично планиране и планиране на лъчетерапия. На Фигура 1А е показано несъответствието между механичните и радиологичните свойства на меките материали, предполагаемо използвани за изработка на модели на човешки бели дробове. Към днешна дата са разработени материали, които проявяват желаните радиологични свойства, но техните механични свойства не отговарят на желаните изисквания. Полиуретановата пяна и каучукът са най-широко използваните материали за изработка на деформируеми модели на човешки бели дробове. Механичните свойства на полиуретановата пяна (модул на Юнг, YM) обикновено са от 10 до 100 пъти по-високи от тези на нормалната човешка белодробна тъкан. Материалите, които проявяват както желаните механични, така и радиологични свойства, все още не са известни.
(A) Схематично представяне на свойствата на различни меки материали и сравнение с човешки бели дробове по отношение на плътност, модул на Юнг и радиологични свойства (в HU). (B) Рентгенова дифракционна картина на алгинатен хидрогел с концентрация 5% и моларно съотношение Ca2+:-COOH 0,18. (C) Диапазон на съотношенията на обема на въздуха в хидрогелни пени. (D) Схематично представяне на алгинатни хидрогелни пени с различни съотношения на обема на въздуха.
Елементният състав на алгинатни хидрогелове с концентрация 5% и моларно съотношение Ca2+:-COOH 0,18 е изчислен и резултатите са показани в Таблица 3. Съгласно правилото за събиране в предишната формула (5), коефициентът на затихване на масата на алгинатния хидрогел (\:\:\mu\:/\rho\:\) е получен, както е показано на Фигура 1B.
Стойностите на \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​за въздух и вода са получени директно от референтната база данни на стандартите NIST 12612. По този начин, Фигура 1C показва изчислените съотношения на обема на въздуха в хидрогелни пяни с HU еквивалентни стойности между -600 и -700 за човешкия бял дроб. Теоретично изчисленото съотношение на обема на въздуха е стабилно в рамките на 60–70% в енергийния диапазон от 1 × 10−3 до 2 × 101 MeV, което показва добър потенциал за приложение на хидрогелна пяна в производствените процеси надолу по веригата.
Фигура 1D показва приготвената проба от алгинатна хидрогелна пяна. Всички проби са нарязани на кубчета с дължина на ръба 12,7 мм. Резултатите показват, че се е образувала хомогенна, триизмерно стабилна хидрогелна пяна. Независимо от съотношението на обема на въздуха, не са наблюдавани съществени разлики във външния вид на хидрогелните пяни. Самоподдържащият се характер на хидрогелната пяна предполага, че мрежата, образувана в хидрогела, е достатъчно здрава, за да издържи теглото на самата пяна. Освен малко количество изтичане на вода от пяната, пяната е демонстрирала и временна стабилност в продължение на няколко седмици.
Чрез измерване на масата и обема на пробата от пяна е изчислена плътността на приготвената хидрогелна пяна (ρ) и резултатите са показани в Таблица 4. Резултатите показват зависимостта на ρ от обемното съотношение на въздуха. Когато достатъчно количество въздух се смеси с 50 ml от пробата, плътността става най-ниска и е 0,482 g/cm3. С намаляването на количеството на смесения въздух плътността се увеличава до 0,685 g/cm3. Максималната p-стойност между групите от 50 ml, 100 ml и 110 ml е 0,004 < 0,05, което показва статистическата значимост на резултатите.
Теоретичната стойност (ρ) също се изчислява, като се използва контролирано съотношение на обема на въздуха. Измерените резултати показват, че ρ е с 0,1 g/cm³ по-малко от теоретичната стойност. Тази разлика може да се обясни с вътрешното напрежение, генерирано в хидрогела по време на процеса на желиране, което причинява подуване и по този начин води до намаляване на ρ. Това беше допълнително потвърдено от наблюдението на някои празнини вътре в хидрогелната пяна на КТ изображенията, показани на Фигура 2 (A, B и C).
Изображения от оптична микроскопия на хидрогелни пени с различно съдържание на въздух (A) 50, (B) 100 и (C) 110. Брой клетки и разпределение на размера на порите в проби от алгинатна хидрогелна пяна (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Фигура 3 (A, B, C) показва изображения, получени от оптичен микроскоп на проби от хидрогелна пяна с различни съотношения на обема на въздуха. Резултатите демонстрират оптичната структура на хидрогелната пяна, като ясно се виждат изображенията на пори с различни диаметри. Разпределението на броя и диаметъра на порите е изчислено с помощта на ImageJ. За всяка проба са направени шест изображения, всяко изображение е с размер 1125,27 μm × 843,96 μm, а общата анализирана площ за всяка проба е 5,7 mm².
(A) Поведение на компресионно напрежение-деформация на алгинатни хидрогелни пени с различни съотношения на обема въздух. (B) Експоненциално напасване. (C) Компресия E0 на хидрогелни пени с различни съотношения на обема въздух. (D) Крайно компресионно напрежение и деформация на алгинатни хидрогелни пени с различни съотношения на обема въздух.
Фигура 3 (D, E, F) показва, че разпределението на размера на порите е относително равномерно, вариращо от десетки микрометра до около 500 микрометра. Размерът на порите е основно равномерен и леко намалява с намаляването на обема на въздуха. Според данните от теста, средният размер на порите на проба от 50 ml е 192,16 μm, медианата е 184,51 μm, а броят на порите на единица площ е 103; средният размер на порите на проба от 100 ml е 156,62 μm, медианата е 151,07 μm, а броят на порите на единица площ е 109; съответните стойности на проба от 110 ml са съответно 163,07 μm, 150,29 μm и 115. Данните показват, че по-големите пори имат по-голямо влияние върху статистическите резултати за средния размер на порите, а медианният размер на порите може по-добре да отрази тенденцията на промяна в размера на порите. С увеличаване на обема на пробата от 50 ml до 110 ml, броят на порите също се увеличава. Комбинирайки статистическите резултати за средния диаметър на порите и броя на порите, може да се заключи, че с увеличаване на обема, в пробата се образуват повече пори с по-малък размер.
Данните от механичните изпитвания са показани на фигури 4А и 4D. Фигура 4А показва поведението на натиск-деформация на приготвените хидрогелни пени с различни съотношения на обема на въздуха. Резултатите показват, че всички проби имат сходно нелинейно поведение на напрежение-деформация. За всяка проба напрежението се увеличава по-бързо с увеличаване на деформацията. Към поведението на натиск-деформация на хидрогелната пяна е нанесена експоненциална крива. Фигура 4B показва резултатите след прилагане на експоненциалната функция като апроксимиращ модел към хидрогелната пяна.
За хидрогелните пени с различни съотношения на обема на въздуха е изследван и техният модул на натиск (E0). Подобно на анализа на хидрогеловете, модулът на натиск на Юнг е изследван в диапазона от 20% начално напрежение. Резултатите от тестовете за натиск са показани на Фигура 4C. Резултатите на Фигура 4C показват, че с намаляването на съотношението на обема на въздуха от проба 50 до проба 110, модулът на натиск на Юнг E0 на алгинатната хидрогелна пяна се увеличава от 10,86 kPa до 18 kPa.
По подобен начин бяха получени пълните криви на напрежение-деформация на хидрогелните пяни, както и стойностите на граничното напрежение на натиск и деформация. Фигура 4D показва граничното напрежение на натиск и деформация на алгинатните хидрогелни пяни. Всяка точка от данните е средната стойност на три резултата от изпитванията. Резултатите показват, че граничното напрежение на натиск се увеличава от 9,84 kPa до 17,58 kPa с намаляване на съдържанието на газ. Крайното напрежение остава стабилно на около 38%.
Фигура 2 (A, B и C) показва CT изображения на хидрогелни пени с различни съотношения на обема на въздуха, съответстващи съответно на проби 50, 100 и 110. Изображенията показват, че образуваната хидрогелна пяна е почти хомогенна. В проби 100 и 110 са наблюдавани малък брой празнини. Образуването на тези празнини може да се дължи на вътрешното напрежение, генерирано в хидрогела по време на процеса на желиране. Изчислихме HU стойностите за 5 напречни сечения на всяка проба и ги изброихме в Таблица 5 заедно със съответните теоретични резултати от изчисленията.
Таблица 5 показва, че пробите с различни съотношения на обема на въздуха са получили различни HU стойности. Максималната p-стойност между групите от 50 ml, 100 ml и 110 ml е 0,004 < 0,05, което показва статистическата значимост на резултатите. Сред трите тествани проби, пробата със смес от 50 ml има радиологични свойства, най-близки до тези на човешките бели дробове. Последната колона на Таблица 5 е резултатът, получен чрез теоретично изчисление, базирано на измерената стойност на пяната (ρ). Чрез сравняване на измерените данни с теоретичните резултати може да се установи, че HU стойностите, получени чрез компютърна томография, са като цяло близки до теоретичните резултати, което от своя страна потвърждава резултатите от изчислението на съотношението на обема на въздуха на Фигура 1C.
Основната цел на това изследване е да се създаде материал с механични и радиологични свойства, сравними с тези на човешките бели дробове. Тази цел беше постигната чрез разработване на материал на хидрогелна основа с пригодени тъканно-еквивалентни механични и радиологични свойства, които са възможно най-близки до тези на човешките бели дробове. Водени от теоретични изчисления, хидрогелни пени с различни съотношения на обема на въздуха бяха приготвени чрез механично смесване на разтвор на натриев алгинат, CaCO3, GDL и SLES 70. Морфологичният анализ показа, че се образува хомогенна триизмерна стабилна хидрогелна пяна. Чрез промяна на съотношението на обема на въздуха, плътността и порьозността на пяната могат да се променят по желание. С увеличаване на обемното съдържание на въздуха, размерът на порите леко намалява, а броят на порите се увеличава. Бяха проведени тестове за компресия, за да се анализират механичните свойства на алгинатните хидрогелни пени. Резултатите показаха, че модулът на компресия (E0), получен от тестовете за компресия, е в идеалния диапазон за човешките бели дробове. E0 се увеличава с намаляване на съотношението на обема на въздуха. Стойностите на радиологичните свойства (HU) на приготвените проби бяха получени въз основа на КТ данните на пробите и сравнени с резултатите от теоретичните изчисления. Резултатите бяха благоприятни. Измерената стойност е близка и до HU стойността на човешките бели дробове. Резултатите показват, че е възможно да се създадат тъканно-имитиращи хидрогелни пени с идеална комбинация от механични и радиологични свойства, които имитират свойствата на човешките бели дробове.
Въпреки обещаващите резултати, настоящите методи на производство се нуждаят от подобрение, за да се контролира по-добре съотношението на обема на въздуха и порьозността, така че да съответстват на прогнозите от теоретичните изчисления и реални човешки бели дробове както в глобален, така и в локален мащаб. Настоящото изследване е ограничено до тестване на механиката на компресия, което ограничава потенциалното приложение на фантома до фазата на компресия на дихателния цикъл. Бъдещите изследвания биха се възползвали от изследване на изпитванията на опън, както и на общата механична стабилност на материала, за да се оценят потенциалните приложения при динамични условия на натоварване. Въпреки тези ограничения, изследването бележи първия успешен опит за комбиниране на радиологични и механични свойства в един материал, който имитира човешкия бял дроб.
Генерираните и/или анализирани по време на настоящото проучване набори от данни са достъпни от съответния автор при разумно искане. Както експериментите, така и наборите от данни са възпроизводими.
Song, G. и др. Нови нанотехнологии и съвременни материали за лъчетерапия на рак. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ и др. Доклад на работната група AAPM 76a относно управлението на дихателните движения в радиационната онкология. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Ал-Мая, А., Моузли, Дж. и Брок, К.К. Моделиране на интерфейса и нелинейностите на материалите в човешкия бял дроб. Физика и медицина и биология 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. и др. Модел на тумороподобен рак на белия дроб, генериран чрез 3D биопринтиране. 3. Биотехнологии. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. и др. Моделиране на белодробна деформация: метод, комбиниращ техники за регистрация на деформируеми изображения и пространствено променлива оценка на модула на Юнг. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF и др. Твърдост на живата тъкан и нейните последици за тъканното инженерство. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).