Hatur nuhun parantos nganjang ka nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun nganggo versi browser pangénggalna (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Salaku tambahan, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, situs ieu moal ngalebetkeun gaya atanapi JavaScript.
Gerakan organ sareng jaringan tiasa nyababkeun kasalahan dina posisi sinar-X nalika radioterapi. Ku kituna, bahan-bahan anu gaduh sipat mékanis sareng radiologis anu sami sareng jaringan diperyogikeun pikeun niru gerakan organ pikeun optimalisasi radioterapi. Nanging, pamekaran bahan sapertos kitu tetep janten tantangan. Hidrogel alginat gaduh sipat anu sami sareng matriks ékstrasélulér, ngajantenkeun aranjeunna ngajangjikeun salaku bahan anu sami sareng jaringan. Dina panilitian ieu, busa hidrogel alginat kalayan sipat mékanis sareng radiologis anu dipikahoyong disintésis ku pelepasan Ca2+ in situ. Babandingan hawa-ka-volume dikontrol sacara saksama pikeun kéngingkeun busa hidrogel kalayan sipat mékanis sareng radiologis anu ditetepkeun. Makro sareng mikromorfologi bahan dicirikeun, sareng paripolah busa hidrogel dina komprési dikaji. Sipat radiologis diperkirakeun sacara téoritis sareng diverifikasi sacara ékspériméntal nganggo tomografi komputer. Panilitian ieu ngajelaskeun pamekaran bahan anu sami sareng jaringan ka hareup anu tiasa dianggo pikeun optimalisasi dosis radiasi sareng kontrol kualitas nalika radioterapi.
Terapi radiasi mangrupikeun pangobatan umum pikeun kanker1. Gerakan organ sareng jaringan sering nyababkeun kasalahan dina posisi sinar-X salami terapi radiasi2, anu tiasa nyababkeun tumor henteu dirawat kalayan leres sareng sél séhat di sakurilingna kakeunaan radiasi anu teu perlu. Kamampuh pikeun ngaduga gerakan organ sareng jaringan penting pisan pikeun ngaminimalkeun kasalahan lokalisasi tumor. Panilitian ieu museur kana paru-paru, sabab aranjeunna ngalaman deformasi sareng gerakan anu signifikan nalika pasien ngarénghap salami terapi radiasi. Rupa-rupa modél unsur terbatas parantos dikembangkeun sareng diterapkeun pikeun simulasi gerakan paru-paru manusa3,4,5. Nanging, organ sareng jaringan manusa gaduh géométri anu rumit sareng gumantung pisan ka pasien. Ku alatan éta, bahan-bahan anu gaduh sipat anu sami sareng jaringan mangpaat pisan pikeun ngembangkeun modél fisik pikeun validasi modél téoritis, ngagampangkeun perawatan médis anu langkung saé, sareng pikeun tujuan pendidikan médis.
Pamekaran bahan anu niru jaringan lemes pikeun ngahontal géométri struktural éksternal sareng internal anu rumit parantos narik seueur perhatian sabab inkonsistensi mékanis anu aya dina éta tiasa nyababkeun kagagalan dina aplikasi target6,7. Pemodelan biomékanika jaringan paru-paru anu rumit, anu ngagabungkeun kalembutan anu ekstrim, élastisitas, sareng porositas struktural, mangrupikeun tantangan anu signifikan dina ngembangkeun modél anu sacara akurat ngahasilkeun deui paru-paru manusa. Integrasi sareng cocogna sipat mékanis sareng radiologis penting pisan pikeun kinerja modél paru-paru anu efektif dina intervensi terapi. Manufaktur aditif parantos kabuktosan efektif dina ngembangkeun modél khusus pasien, anu ngamungkinkeun prototipe gancang tina desain anu rumit. Shin et al. 8 ngembangkeun modél paru-paru anu tiasa diproduksi deui sareng tiasa dideformasi kalayan saluran napas anu dicitak 3D. Haselaar et al. 9 ngembangkeun phantom anu sami pisan sareng pasien nyata pikeun penilaian kualitas gambar sareng metode verifikasi posisi pikeun radioterapi. Hong et al10 ngembangkeun modél CT dada nganggo téknologi percetakan 3D sareng tuang silikon pikeun ngahasilkeun deui inténsitas CT tina rupa-rupa lési paru-paru pikeun meunteun akurasi kuantifikasi. Nanging, prototipe ieu sering didamel tina bahan anu sipat efektifna béda pisan sareng jaringan paru-paru11.
Ayeuna, kalolobaan fantom paru-paru didamel tina busa silikon atanapi poliuretan, anu henteu cocog sareng sipat mékanis sareng radiologis parenkim paru-paru anu asli.12,13 Hidrogel alginat biokompatibel sareng parantos seueur dianggo dina rékayasa jaringan kusabab sipat mékanisna anu tiasa diatur.14 Nanging, ngahasilkeun deui konsistensi anu lemes pisan, sapertos busa anu diperyogikeun pikeun fantom paru-paru anu sacara akurat niru élastisitas sareng struktur eusian jaringan paru-paru tetep janten tantangan ékspériméntal.
Dina ieu panilitian, dianggap yén jaringan paru-paru mangrupikeun bahan elastis anu homogen. Kapadetan jaringan paru-paru manusa (\(\:\rho\:\)) dilaporkeun 1,06 g/cm3, sareng kapadetan paru-paru anu dikembangkeun nyaéta 0,26 g/cm315. Rupa-rupa nilai modulus Young (MY) tina jaringan paru-paru parantos diala nganggo metode ékspériméntal anu béda. Lai-Fook et al. 16 ngukur YM paru-paru manusa kalayan inflasi seragam janten 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 nganggo élastografi résonansi magnét sareng ngalaporkeun YM 2,17 kPa. Liu et al. 18 ngalaporkeun YM anu diukur langsung nyaéta 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 ngira-ngira YM janten 0,1–2,7 kPa dumasar kana data CT 4D anu diala ti pasien anu dipilih.
Pikeun sipat radiologis paru-paru, sababaraha parameter dianggo pikeun ngajelaskeun paripolah interaksi jaringan paru-paru sareng sinar-X, kalebet komposisi unsur, kapadetan éléktron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), nomer atom efektif (\(\:{Z}_{eff}\)), énergi eksitasi rata-rata (\(\:I\)), koéfisién atenuasi massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) sareng unit Hounsfield (HU), anu langsung aya hubunganana sareng \(\:\mu\:/\rho\:\).
Kapadetan éléktron \(\:{\rho\:}_{e}\) dihartikeun salaku jumlah éléktron per unit volume sareng diitung sapertos kieu:
dimana \(\:\rho\:\) nyaéta kapadetan bahan dina g/cm3, \(\:{N}_{A}\) nyaéta konstanta Avogadro, \(\:{w}_{i}\) nyaéta fraksi massa, \(\:{Z}_{i}\) nyaéta nomer atom, sareng \(\:{A}_{i}\) nyaéta beurat atom unsur ka-i.
Nomer atom aya patalina langsung jeung sifat interaksi radiasi dina bahan. Pikeun sanyawa jeung campuran anu ngandung sababaraha unsur (misalna, lawon), nomer atom efektif \(\:{Z}_{eff}\) kudu diitung. Rumusna diusulkeun ku Murthy et al. 20:
Énergi eksitasi rata-rata \(\:I\) ngagambarkeun kumaha gampilna bahan target nyerep énergi kinétik partikel anu nembus. Éta ngan ukur ngagambarkeun sipat-sipat bahan target sareng teu aya hubunganana sareng sipat-sipat partikel. \(\:I\) tiasa diitung ku cara nerapkeun aturan aditivitas Bragg:
Koefisien atenuasi massa \(\:\mu\:/\rho\:\) ngajelaskeun penetrasi sareng pelepasan énergi foton dina bahan target. Ieu tiasa diitung nganggo rumus ieu:
Di mana \(\:x\) nyaéta ketebalan bahan, \(\:{I}_{0}\) nyaéta inténsitas cahaya datang, sareng \(\:I\) nyaéta inténsitas foton saatos penetrasi kana bahan. Data \(\:\mu\:/\rho\:\) tiasa diala langsung tina Database Réferénsi Standar NIST 12621. Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) pikeun campuran sareng sanyawa tiasa diturunkeun nganggo aturan aditivitas sapertos kieu:
HU nyaéta unit tanpa dimensi anu distandarisasi pikeun pangukuran radiodensitas dina interpretasi data tomografi komputer (CT), anu ditransformasikeun sacara linier tina koefisien atenuasi anu diukur \(\:\mu\:\). Ieu dihartikeun salaku:
dimana \(\:{\mu\:}_{cai}\) nyaéta koéfisién atenuasi cai, sareng \(\:{\mu\:}_{hawa}\) nyaéta koéfisién atenuasi hawa. Ku kituna, tina rumus (6) urang ningali yén nilai HU cai nyaéta 0, sareng nilai HU hawa nyaéta -1000. Nilai HU pikeun bayah manusa mimitian ti -600 dugi ka -70022.
Sababaraha bahan sarimbag jaringan parantos dikembangkeun. Griffith et al. 23 ngembangkeun modél sarimbag jaringan tina awak manusa anu didamel tina poliuretan (PU) anu ditambihan rupa-rupa konsentrasi kalsium karbonat (CaCO3) pikeun ngasimulasikeun koéfisién atenuasi linier tina rupa-rupa organ manusa kalebet paru-paru manusa, sareng modél éta dingaranan Griffith. Taylor24 nampilkeun modél sarimbag jaringan paru-paru kadua anu dikembangkeun ku Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL), dingaranan LLLL1. Traub et al.25 ngembangkeun gaganti jaringan paru-paru énggal nganggo Foamex XRS-272 anu ngandung 5,25% CaCO3 salaku paningkatan kinerja, anu dingaranan ALT2. Tabel 1 sareng 2 nunjukkeun babandingan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) sareng koéfisién atenuasi massa pikeun paru-paru manusa (ICRU-44) sareng modél sarimbag jaringan di luhur.
Sanaos sipat radiologis anu saé pisan kahontal, ampir sadaya bahan fantom didamel tina busa polistirena, anu hartosna sipat mékanis bahan-bahan ieu henteu tiasa nyarupaan bayah manusa. Modulus Young (YM) busa poliuretan nyaéta sakitar 500 kPa, anu jauh tina idéal dibandingkeun sareng bayah manusa normal (sakitar 5-10 kPa). Ku kituna, perlu pikeun ngembangkeun bahan énggal anu tiasa nyumponan karakteristik mékanis sareng radiologis bayah manusa anu nyata.
Hidrogel loba dipaké dina rékayasa jaringan. Struktur jeung sipatna sarupa jeung matriks ékstrasélulér (ECM) sarta gampang disaluyukeun. Dina ieu panalungtikan, natrium alginat murni dipilih salaku biomaterial pikeun nyieun busa. Hidrogel alginat biokompatibel sarta loba dipaké dina rékayasa jaringan alatan sipat mékanisna anu bisa disaluyukeun. Komposisi unsur natrium alginat (C6H7NaO6)n sarta ayana Ca2+ ngamungkinkeun sipat radiologisna disaluyukeun sakumaha diperlukeun. Kombinasi sipat mékanis jeung radiologis anu bisa disaluyukeun ieu ngajadikeun hidrogel alginat idéal pikeun panalungtikan urang. Tangtosna, hidrogel alginat ogé mibanda watesan, utamana dina hal stabilitas jangka panjang salila siklus réspirasi simulasi. Ku alatan éta, perbaikan salajengna diperyogikeun sarta dipiharep dina panalungtikan ka hareup pikeun ngungkulan watesan ieu.
Dina ieu panalungtikan, urang ngembangkeun bahan busa hidrogel alginat kalayan nilai rho anu tiasa dikontrol, élastisitas, sareng sipat radiologis anu sami sareng jaringan paru-paru manusa. Panilitian ieu bakal nyayogikeun solusi umum pikeun ngadamel phantom sapertos jaringan kalayan sipat élastis sareng radiologis anu tiasa diatur. Sipat bahan tiasa gampang disaluyukeun kana jaringan sareng organ manusa naon waé.
Babandingan hawa target kana volume busa hidrogel diitung dumasar kana rentang HU paru-paru manusa (-600 nepi ka -700). Dianggap yén busa éta mangrupikeun campuran basajan tina hawa sareng hidrogel alginat sintétis. Ngagunakeun aturan panambahan basajan tina unsur-unsur individu \(\:\mu\:/\rho\:\), fraksi volume hawa sareng babandingan volume hidrogel alginat anu disintésis tiasa diitung.
Busa hidrogel alginat disiapkeun nganggo natrium alginat (No. Bagian W201502), CaCO3 (No. Bagian 795445, MW: 100.09), sareng GDL (No. Bagian G4750, MW: 178.14) anu dipésér ti Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Natrium Lauril Éter Sulfat (SLES 70) dipésér ti Renowned Trading LLC. Cai deionisasi dianggo dina prosés persiapan busa. Natrium alginat leyur dina cai deionisasi dina suhu kamar kalayan diaduk terus-terusan (600 rpm) dugi ka larutan transparan konéng homogen kahontal. CaCO3 digabungkeun sareng GDL dianggo salaku sumber Ca2+ pikeun ngamimitian gelasi. SLES 70 dianggo salaku surfaktan pikeun ngabentuk struktur porous di jero hidrogel. Konsentrasi alginat dijaga dina 5% sareng rasio molar Ca2+:-COOH dijaga dina 0,18. Babandingan molar CaCO3:GDL ogé dijaga dina 0,5 nalika nyiapkeun busa pikeun ngajaga pH nétral. Nilaina nyaéta 26. 2% volume SLES 70 ditambahkeun kana sadaya sampel. Gelas gelas anu ditutup dianggo pikeun ngontrol babandingan campuran larutan sareng hawa. Total volume gelas gelas nyaéta 140 ml. Dumasar kana hasil itungan téoritis, volume campuran anu béda (50 ml, 100 ml, 110 ml) ditambahkeun kana gelas gelas pikeun dicampur sareng hawa. Sampel anu ngandung 50 ml campuran dirancang pikeun dicampur sareng hawa anu cekap, sedengkeun babandingan volume hawa dina dua sampel anu sanés dikontrol. Mimitina, SLES 70 ditambahkeun kana larutan alginat sareng diaduk nganggo pengaduk listrik dugi ka rata. Teras, suspénsi CaCO3 ditambahkeun kana campuran sareng diaduk terus-terusan dugi ka campuran rata, nalika warnana robih janten bodas. Pamungkas, larutan GDL ditambahkeun kana campuran pikeun ngamimitian gelasi, sareng pengadukan mékanis dijaga sapanjang prosés. Pikeun sampel anu ngandung 50 ml campuran, pangadukan mékanis dieureunkeun nalika volume campuran eureun robah. Pikeun sampel anu ngandung 100 ml sareng 110 ml campuran, pangadukan mékanis dieureunkeun nalika campuran ngeusian gelas kimia. Kami ogé nyobian nyiapkeun busa hidrogel kalayan volume antara 50 ml sareng 100 ml. Nanging, ketidakstabilan struktural busa dititénan, sabab éta fluktuatif antara kaayaan campuran hawa lengkep sareng kaayaan kontrol volume hawa, anu ngahasilkeun kontrol volume anu henteu konsisten. Ketidakstabilan ieu ngenalkeun kateupastian kana itungan, sareng ku kituna rentang volume ieu henteu kalebet dina panilitian ieu.
Kapadetan \(\:\rho\:\) tina busa hidrogel diitung ku cara ngukur massa \(\:m\) sareng volume \(\:V\) tina sampel busa hidrogel.
Gambar mikroskopis optik tina busa hidrogel diala nganggo kaméra Zeiss Axio Observer A1. Parangkat lunak ImageJ dianggo pikeun ngitung jumlah sareng distribusi ukuran pori-pori dina sampel di daérah anu tangtu dumasar kana gambar anu diala. Wangun pori dianggap bunderan.
Pikeun nalungtik sipat mékanis busa hidrogel alginat, tés komprési uniaksial dilakukeun nganggo mesin TESTRESOURCES séri 100. Sampel dipotong jadi blok pasagi panjang sareng diménsi blok diukur pikeun ngitung tegangan sareng galur. Laju crosshead disetel dina 10 mm/mnt. Tilu sampel diuji pikeun unggal sampel sareng rata-rata sareng standar deviasi diitung tina hasilna. Panilitian ieu museur kana sipat mékanis komprési busa hidrogel alginat sabab jaringan paru-paru kakeunaan gaya komprési dina tahapan siklus pernapasan anu tangtu. Ékstensibilitas tangtosna penting pisan, khususna pikeun ngagambarkeun paripolah dinamis lengkep jaringan paru-paru sareng ieu bakal ditalungtik dina panilitian ka hareup.
Sampel busa hidrogel anu disiapkeun di-scan dina scanner CT dual-channel Siemens SOMATOM Drive. Parameter scanning disetel sapertos kieu: 40 mAs, 120 kVp sareng ketebalan irisan 1 mm. File DICOM anu dihasilkeun dianalisis nganggo perangkat lunak MicroDicom DICOM Viewer pikeun nganalisis nilai HU tina 5 penampang unggal sampel. Nilai HU anu diala ku CT dibandingkeun sareng itungan téoritis dumasar kana data kapadetan sampel.
Tujuan tina panilitian ieu nyaéta pikeun ngarévolusi fabrikasi modél organ individu sareng jaringan biologis jieunan ku cara ngarékayasa bahan lemes. Ngembangkeun bahan kalayan sipat mékanis sareng radiologis anu cocog sareng mékanika kerja paru-paru manusa penting pikeun aplikasi anu dituju sapertos ningkatkeun pelatihan médis, perencanaan bedah, sareng perencanaan terapi radiasi. Dina Gambar 1A, urang ngaplot bédana antara sipat mékanis sareng radiologis bahan lemes anu diduga dianggo pikeun ngadamel modél paru-paru manusa. Nepi ka ayeuna, bahan-bahan parantos dikembangkeun anu nunjukkeun sipat radiologis anu dipikahoyong, tapi sipat mékanisna henteu nyumponan sarat anu dipikahoyong. Busa poliuretan sareng karét mangrupikeun bahan anu paling seueur dianggo pikeun ngadamel modél paru-paru manusa anu tiasa dideformasi. Sipat mékanis busa poliuretan (modulus Young, YM) biasana 10 dugi ka 100 kali langkung ageung tibatan jaringan paru-paru manusa normal. Bahan anu nunjukkeun sipat mékanis sareng radiologis anu dipikahoyong tacan dipikanyaho.
(A) Gambaran skematis tina sipat-sipat rupa-rupa bahan lemes sareng babandinganana sareng paru-paru manusa dina hal kapadetan, modulus Young sareng sipat radiologis (dina HU). (B) Pola difraksi sinar-X hidrogel alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) kalayan konsentrasi 5% sareng babandingan molar Ca2+:-COOH 0,18. (C) Rentang babandingan volume hawa dina busa hidrogel. (D) Gambaran skematis busa hidrogel alginat kalayan babandingan volume hawa anu béda.
Komposisi unsur hidrogel alginat kalayan konsentrasi 5% sareng babandingan molar Ca2+:-COOH 0,18 diitung, sareng hasilna dipidangkeun dina Tabel 3. Numutkeun aturan panambahan dina rumus sateuacanna (5), koefisien atenuasi massa hidrogel alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) diala sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1B.
Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) pikeun hawa sareng cai diala langsung tina database rujukan standar NIST 12612. Ku kituna, Gambar 1C nunjukkeun babandingan volume hawa anu diitung dina busa hidrogel kalayan nilai sarimbag HU antara -600 sareng -700 pikeun paru-paru manusa. Babandingan volume hawa anu diitung sacara téoritis stabil dina kisaran énergi ti 1 × 10−3 dugi ka 2 × 101 MeV, nunjukkeun poténsi anu saé pikeun aplikasi busa hidrogel dina prosés manufaktur hilir.
Gambar 1D nunjukkeun sampel busa hidrogel alginat anu parantos disiapkeun. Sadaya sampel dipotong janten kubus kalayan panjang sisi 12,7 mm. Hasilna nunjukkeun yén busa hidrogel anu homogen sareng stabil tilu diménsi kabentuk. Henteu paduli babandingan volume hawa, teu aya béda anu signifikan dina penampilan busa hidrogel anu dititénan. Sifat busa hidrogel anu mandiri nunjukkeun yén jaringan anu kabentuk dina hidrogel cukup kuat pikeun nahan beurat busa éta sorangan. Salian ti saeutik bocor cai tina busa, busa ogé nunjukkeun stabilitas samentawis salami sababaraha minggu.
Ku cara ngukur massa sareng volume sampel busa, kapadetan busa hidrogel anu disiapkeun \(\:\rho\:\) diitung, sareng hasilna dipidangkeun dina Tabel 4. Hasilna nunjukkeun gumantungna \(\:\rho\:\) kana babandingan volume hawa. Nalika hawa anu cekap dicampur sareng 50 ml sampel, kapadetanna janten anu panghandapna sareng nyaéta 0,482 g/cm3. Nalika jumlah hawa campuran nurun, kapadetanna ningkat janten 0,685 g/cm3. Nilai p maksimum antara kelompok 50 ml, 100 ml sareng 110 ml nyaéta 0,004 < 0,05, nunjukkeun signifikansi statistik tina hasilna.
Nilai téoritis \(\:\rho\:\) ogé diitung nganggo babandingan volume hawa anu dikontrol. Hasil anu diukur nunjukkeun yén \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ langkung alit tibatan nilai téoritis. Bédana ieu tiasa dijelaskeun ku setrés internal anu dihasilkeun dina hidrogel salami prosés gélasi, anu nyababkeun bareuh sahingga nyababkeun panurunan dina \(\:\rho\:\). Ieu salajengna dikonfirmasi ku observasi sababaraha celah di jero busa hidrogel dina gambar CT anu dipidangkeun dina Gambar 2 (A, B sareng C).
Gambar mikroskop optik busa hidrogel kalayan eusi volume hawa anu béda (A) 50, (B) 100, sareng (C) 110. Jumlah sél sareng distribusi ukuran pori dina sampel busa hidrogel alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Gambar 3 (A, B, C) nunjukkeun gambar mikroskop optik tina sampel busa hidrogel kalayan babandingan volume hawa anu béda. Hasilna nunjukkeun struktur optik tina busa hidrogel, anu sacara jelas nunjukkeun gambar pori-pori kalayan diaméter anu béda. Sebaran jumlah pori sareng diaméter diitung nganggo ImageJ. Genep gambar dicandak pikeun unggal sampel, unggal gambar gaduh ukuran 1125,27 μm × 843,96 μm, sareng total daérah anu dianalisis pikeun unggal sampel nyaéta 5,7 mm².
(A) Paripolah tegangan-galur komprési busa hidrogel alginat kalayan babandingan volume hawa anu béda. (B) Pas éksponénsial. (C) Komprési E0 busa hidrogel kalayan babandingan volume hawa anu béda. (D) Tegangan komprési pamungkas sareng galur busa hidrogel alginat kalayan babandingan volume hawa anu béda.
Gambar 3 (D, E, F) nunjukkeun yén distribusi ukuran pori relatif seragam, mimitian ti puluhan mikrométer dugi ka sakitar 500 mikrométer. Ukuran pori dasarna seragam, sareng rada ngirang nalika volume hawa ngirang. Numutkeun data tés, ukuran pori rata-rata sampel 50 ml nyaéta 192,16 μm, median nyaéta 184,51 μm, sareng jumlah pori per unit area nyaéta 103; ukuran pori rata-rata sampel 100 ml nyaéta 156,62 μm, median nyaéta 151,07 μm, sareng jumlah pori per unit area nyaéta 109; nilai anu saluyu tina sampel 110 ml nyaéta 163,07 μm, 150,29 μm sareng 115, masing-masing. Data nunjukkeun yén pori anu langkung ageung gaduh pangaruh anu langkung ageung kana hasil statistik ukuran pori rata-rata, sareng ukuran pori median tiasa langkung ngagambarkeun tren parobahan ukuran pori. Sabot volume sampel ningkat ti 50 ml ka 110 ml, jumlah pori ogé ningkat. Ngagabungkeun hasil statistik diaméter pori median sareng jumlah pori, tiasa disimpulkeun yén kalayan ningkatna volume, langkung seueur pori anu ukuranana langkung alit kabentuk di jero sampel.
Data uji mékanis dipidangkeun dina Gambar 4A sareng 4D. Gambar 4A nunjukkeun paripolah tegangan-galur komprési tina busa hidrogel anu disiapkeun kalayan babandingan volume hawa anu béda. Hasilna nunjukkeun yén sadaya sampel gaduh paripolah tegangan-galur nonlinier anu sami. Pikeun unggal sampel, tegangan ningkat langkung gancang kalayan ningkatna galur. Kurva éksponénsial dipasang kana paripolah tegangan-galur komprési tina busa hidrogel. Gambar 4B nunjukkeun hasil saatos nerapkeun fungsi éksponénsial salaku modél anu ngadeukeutan kana busa hidrogel.
Pikeun busa hidrogel kalayan babandingan volume hawa anu béda-béda, modulus komprési (E0) ogé ditalungtik. Sarupa sareng analisis hidrogel, modulus komprési Young ditalungtik dina kisaran galur awal 20%. Hasil tés komprési dipidangkeun dina Gambar 4C. Hasil dina Gambar 4C nunjukkeun yén nalika babandingan volume hawa turun tina sampel 50 ka sampel 110, modulus komprési Young E0 tina busa hidrogel alginat ningkat tina 10,86 kPa ka 18 kPa.
Sarua kitu, kurva tegangan-galur lengkep tina busa hidrogel, ogé nilai tegangan komprési pamungkas sareng galur, diala. Gambar 4D nunjukkeun tegangan komprési pamungkas sareng galur tina busa hidrogel alginat. Unggal titik data mangrupikeun rata-rata tina tilu hasil tés. Hasilna nunjukkeun yén tegangan komprési pamungkas ningkat ti 9,84 kPa janten 17,58 kPa kalayan turunna eusi gas. Galur pamungkas tetep stabil dina sakitar 38%.
Gambar 2 (A, B, sareng C) nunjukkeun gambar CT tina busa hidrogel kalayan babandingan volume hawa anu béda-béda anu saluyu sareng sampel 50, 100, sareng 110. Gambar-gambar éta nunjukkeun yén busa hidrogel anu kabentuk ampir homogen. Sajumlah leutik celah anu dititénan dina sampel 100 sareng 110. Pembentukan celah ieu tiasa disababkeun ku setrés internal anu dihasilkeun dina hidrogel salami prosés gelasi. Kami ngitung nilai HU pikeun 5 potongan melintang unggal sampel sareng ngadaptarkeunana dina Tabel 5 sareng hasil itungan téoritis anu saluyu.
Tabel 5 nunjukkeun yén sampel kalayan babandingan volume hawa anu béda-béda ngahasilkeun nilai HU anu béda-béda. Nilai p maksimum antara grup 50 ml, 100 ml sareng 110 ml nyaéta 0,004 < 0,05, nunjukkeun signifikansi statistik tina hasilna. Di antara tilu sampel anu diuji, sampel kalayan campuran 50 ml ngagaduhan sipat radiologis anu pangdeukeutna sareng paru-paru manusa. Kolom terakhir Tabel 5 nyaéta hasil anu diala ku itungan téoritis dumasar kana nilai busa anu diukur \(\:\rho\:\). Ku ngabandingkeun data anu diukur sareng hasil téoritis, tiasa kapendak yén nilai HU anu diala ku scan CT umumna caket kana hasil téoritis, anu antukna mastikeun hasil itungan babandingan volume hawa dina Gambar 1C.
Tujuan utama tina ieu panilitian nyaéta pikeun nyiptakeun bahan anu mibanda sipat mékanis sareng radiologis anu sami sareng paru-paru manusa. Tujuan ieu kahontal ku cara ngembangkeun bahan berbasis hidrogel kalayan sipat mékanis sareng radiologis anu sami sareng jaringan anu sacaket mungkin sareng paru-paru manusa. Dipandu ku itungan téoritis, busa hidrogel kalayan babandingan volume hawa anu béda-béda disiapkeun ku cara nyampur larutan natrium alginat, CaCO3, GDL sareng SLES 70 sacara mékanis. Analisis morfologis nunjukkeun yén busa hidrogel tilu diménsi anu stabil sareng homogen kabentuk. Ku cara ngarobih babandingan volume hawa, kapadetan sareng porositas busa tiasa divariasikeun sakumaha anu dipikahoyong. Kalayan ningkatna eusi volume hawa, ukuran pori-pori rada nurun sareng jumlah pori-pori ningkat. Tés komprési dilakukeun pikeun nganalisis sipat mékanis busa hidrogel alginat. Hasilna nunjukkeun yén modulus komprési (E0) anu diala tina tés komprési aya dina kisaran idéal pikeun paru-paru manusa. E0 ningkat nalika babandingan volume hawa nurun. Nilai sipat radiologis (HU) tina sampel anu disiapkeun diala dumasar kana data CT sampel sareng dibandingkeun sareng hasil itungan téoritis. Hasilna nguntungkeun. Nilai anu diukur ogé caket kana nilai HU paru-paru manusa. Hasilna nunjukkeun yén dimungkinkeun pikeun nyiptakeun busa hidrogel anu niru jaringan kalayan kombinasi idéal tina sipat mékanis sareng radiologis anu niru sipat paru-paru manusa.
Sanaos hasil anu ngajangjikeun, metode fabrikasi ayeuna kedah ditingkatkeun pikeun ngontrol rasio volume hawa sareng porositas anu langkung saé pikeun cocog sareng prediksi tina itungan téoritis sareng paru-paru manusa nyata dina skala global sareng lokal. Panilitian ayeuna ogé diwatesan pikeun nguji mékanika komprési, anu ngawatesan poténsi aplikasi phantom kana fase komprési siklus pernapasan. Panilitian ka hareup bakal nguntungkeun tina nalungtik uji tarik ogé stabilitas mékanis sacara umum bahan pikeun meunteun poténsi aplikasi dina kaayaan beban dinamis. Sanaos aya watesan ieu, panilitian ieu nandakeun usaha anu suksés munggaran pikeun ngagabungkeun sipat radiologis sareng mékanis dina hiji bahan anu niru paru-paru manusa.
Kumpulan data anu dihasilkeun sareng/atanapi dianalisis salami panilitian ayeuna sayogi ti panulis anu saluyu upami aya pamundut anu wajar. Ékspérimén sareng kumpulan data tiasa diulang.
Song, G., et al. Nanotéhnologi anyar sareng bahan canggih pikeun terapi radiasi kanker. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Laporan Gugus Tugas AAPM 76a ngeunaan Manajemén Gerakan Pernapasan dina Onkologi Radiasi. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., sareng Brock, KK Ngamodelkeun antarbeungeut sareng nonlinieritas matéri dina paru-paru manusa. Fisika sareng Kadokteran sareng Biologi 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modél kanker paru-paru siga tumor anu dihasilkeun ku bioprinting 3D. 3. Biotéhnologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modél deformasi paru-paru: hiji métode anu ngagabungkeun téknik pendaptaran gambar anu tiasa dideformasi sareng estimasi modulus Young anu ngarobih sacara spasial. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Kakakuan jaringan hirup sareng implikasina pikeun rékayasa jaringan. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).