nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun biz brauzerning eng so'nggi versiyasidan foydalanishni (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'yishni) tavsiya qilamiz. Bundan tashqari, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun ushbu saytda uslublar yoki JavaScript bo'lmaydi.
Organlar va to'qimalarning harakatlanishi radioterapiya paytida rentgen nurlarining joylashuvida xatolarga olib kelishi mumkin. Shuning uchun, radioterapiyani optimallashtirish uchun organlar harakatini taqlid qilish uchun to'qimaga teng mexanik va radiologik xususiyatlarga ega materiallar kerak. Biroq, bunday materiallarni ishlab chiqish qiyinligicha qolmoqda. Alginat gidrogellari hujayradan tashqari matritsaga o'xshash xususiyatlarga ega, bu ularni to'qimaga teng materiallar sifatida istiqbolli qiladi. Ushbu tadqiqotda kerakli mexanik va radiologik xususiyatlarga ega alginat gidrogel ko'piklari in situ Ca2+ ajralishi orqali sintez qilindi. Aniqlangan mexanik va radiologik xususiyatlarga ega gidrogel ko'piklarini olish uchun havo-hajm nisbati diqqat bilan nazorat qilindi. Materiallarning makro- va mikromorfologiyasi tavsiflandi va siqilish ostida gidrogel ko'piklarining xatti-harakati o'rganildi. Radiologik xususiyatlar nazariy jihatdan baholandi va kompyuter tomografiyasi yordamida eksperimental ravishda tasdiqlandi. Ushbu tadqiqot radioterapiya paytida nurlanish dozasini optimallashtirish va sifatni nazorat qilish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan to'qimaga teng materiallarning kelajakdagi rivojlanishiga oydinlik kiritadi.
Radiatsiya terapiyasi saraton kasalligini davolashning keng tarqalgan usuli hisoblanadi1. Organlar va to'qimalarning harakatlanishi ko'pincha nurlanish terapiyasi paytida rentgen nurlarining joylashuvida xatolarga olib keladi2, bu esa o'smaning yetarli darajada davolanmasligiga va atrofdagi sog'lom hujayralarning keraksiz nurlanishga haddan tashqari ta'sir qilishiga olib kelishi mumkin. Organlar va to'qimalarning harakatini bashorat qilish qobiliyati o'sma lokalizatsiyasidagi xatolarni minimallashtirish uchun juda muhimdir. Ushbu tadqiqot o'pkalarga qaratilgan, chunki ular nurlanish terapiyasi paytida bemorlar nafas olganda sezilarli deformatsiyalar va harakatlarga uchraydi. Inson o'pkasining harakatini simulyatsiya qilish uchun turli xil chekli element modellari ishlab chiqilgan va qo'llanilgan3,4,5. Biroq, inson organlari va to'qimalari murakkab geometriyalarga ega va bemorga juda bog'liq. Shuning uchun, to'qimaga ekvivalent xususiyatlarga ega materiallar nazariy modellarni tasdiqlash, tibbiy davolanishni yaxshilash va tibbiy ta'lim maqsadlari uchun fizik modellarni ishlab chiqish uchun juda foydali.
Murakkab tashqi va ichki strukturaviy geometriyalarga erishish uchun yumshoq to'qimalarni taqlid qiluvchi materiallarni ishlab chiqish katta e'tiborni tortdi, chunki ularning tabiiy mexanik nomuvofiqliklari maqsadli qo'llanmalarda muvaffaqiyatsizlikka olib kelishi mumkin6,7. O'pka to'qimasining murakkab biomexanikasini modellashtirish, o'ta yumshoqlik, elastiklik va strukturaviy g'ovaklikni birlashtirgan holda, inson o'pkasini aniq ko'paytiradigan modellarni ishlab chiqishda jiddiy qiyinchilik tug'diradi. Mexanik va radiologik xususiyatlarni integratsiyalash va moslashtirish terapevtik aralashuvlarda o'pka modellarining samarali ishlashi uchun juda muhimdir. Qo'shimcha ishlab chiqarish bemorga xos modellarni ishlab chiqishda samarali ekanligi isbotlangan, bu murakkab dizaynlarni tezkor prototiplash imkonini beradi. Shin va boshqalar 8 3D bosilgan havo yo'llari bilan takrorlanadigan, deformatsiyalanadigan o'pka modelini ishlab chiqdilar. Haselaar va boshqalar 9 tasvir sifatini baholash va radioterapiya uchun pozitsiyani tekshirish usullari uchun haqiqiy bemorlarga juda o'xshash fantomni ishlab chiqdilar. Hong va boshqalar 10 miqdoriy aniqlashning aniqligini baholash uchun turli o'pka lezyonlarining KT intensivligini ko'paytirish uchun 3D bosma va silikon quyish texnologiyasidan foydalangan holda ko'krak qafasi KT modelini ishlab chiqdilar. Biroq, bu prototiplar ko'pincha samarali xususiyatlari o'pka to'qimasinikidan juda farq qiladigan materiallardan tayyorlanadi11.
Hozirgi vaqtda o'pka fantomlarining aksariyati silikon yoki poliuretan ko'pikdan tayyorlangan bo'lib, ular haqiqiy o'pka parenximasining mexanik va radiologik xususiyatlariga mos kelmaydi.12,13 Alginat gidrogellari biomos keladi va sozlanishi mumkin bo'lgan mexanik xususiyatlari tufayli to'qima muhandisligida keng qo'llanilgan.14 Biroq, o'pka fantomi uchun zarur bo'lgan o'ta yumshoq, ko'pikka o'xshash konsistentsiyani qayta tiklash, o'pka to'qimasining elastikligi va to'ldirish tuzilishini aniq taqlid qilish tajriba muammosi bo'lib qolmoqda.
Ushbu tadqiqotda o'pka to'qimasi bir hil elastik material deb taxmin qilingan. Inson o'pka to'qimasining zichligi (\(\:\rho\:\)) 1,06 g/sm3, shishgan o'pkaning zichligi esa 0,26 g/sm315 ga teng deb xabar berilgan. O'pka to'qimasining Yung moduli (MY) qiymatlarining keng diapazoni turli eksperimental usullar yordamida olingan. Lai-Fook va boshqalar 16 bir xil shishgan holda inson o'pkasining YM ni 0,42–6,72 kPa ga teng deb o'lchagan. Goss va boshqalar 17 magnit-rezonans elastografiyasidan foydalangan va YM 2,17 kPa ekanligini xabar qilgan. Liu va boshqalar 18 to'g'ridan-to'g'ri o'lchangan YM 0,03–57,2 kPa ekanligini xabar qilgan. Ilegbusi va boshqalar 19 tanlangan bemorlardan olingan 4D KT ma'lumotlariga asoslanib YM ni 0,1–2,7 kPa deb baholagan.
O'pkaning radiologik xususiyatlari uchun o'pka to'qimasining rentgen nurlari bilan o'zaro ta'sirini tavsiflash uchun bir nechta parametrlar qo'llaniladi, jumladan, elementar tarkib, elektron zichligi (\(\:{\rho\:}_{e}\)), samarali atom raqami (\(\:{Z}_{eff}\)), o'rtacha qo'zg'alish energiyasi (\(\:I\)), massa susayish koeffitsienti (\(\:\mu\:/\rho\:\)) va to'g'ridan-to'g'ri \(\:\mu\:/\rho\:\) ga bog'liq bo'lgan Hounsfield birligi (HU).
Elektron zichligi \(\:{\rho\:}_{e}\) birlik hajmdagi elektronlar soni sifatida aniqlanadi va quyidagicha hisoblanadi:
bu yerda \(\:\rho\:\) materialning g/sm3 dagi zichligi, \(\:{N}_{A}\) Avogadro doimiysi, \(\:{w}_{i}\) massa ulushi, \(\:{Z}_{i}\) atom raqami va \(\:{A}_{i}\) i-elementning atom og'irligi.
Atom raqami material ichidagi nurlanish o'zaro ta'sirining tabiati bilan bevosita bog'liq. Bir nechta elementlarni (masalan, matolarni) o'z ichiga olgan birikmalar va aralashmalar uchun samarali atom raqami \(\:{Z}_{eff}\) hisoblanishi kerak. Formula Murthy va boshqalar tomonidan taklif qilingan. 20:
O'rtacha qo'zg'alish energiyasi \(\:I\) nishon materialining kirib boruvchi zarrachalarning kinetik energiyasini qanchalik oson yutishini tavsiflaydi. U faqat nishon materialining xususiyatlarini tavsiflaydi va zarrachalarning xususiyatlari bilan hech qanday aloqasi yo'q. \(\:I\) ni Braggning qo'shilish qoidasini qo'llash orqali hisoblash mumkin:
Massa susayish koeffitsienti \(\:\mu\:/\rho\:\) maqsadli materialga fotonlarning kirib borishi va energiya chiqarilishini tavsiflaydi. Uni quyidagi formula yordamida hisoblash mumkin:
Bu yerda \(x\) materialning qalinligi, \(\:{I}_{0}\) tushayotgan yorug'lik intensivligi va \(\:I\) materialga kirgandan keyingi foton intensivligidir. \(\:\mu\:/\rho\:\) ma'lumotlarini to'g'ridan-to'g'ri NIST 12621 Standartlar Ma'lumotlar Bazasidan olish mumkin. Aralashmalar va birikmalar uchun \(\:\mu\:/\rho\:\) qiymatlarini qo'shilish qoidasi yordamida quyidagicha olish mumkin:
HU - bu kompyuter tomografiyasi (KT) ma'lumotlarini talqin qilishda radiozichlikning standartlashtirilgan o'lchovsiz o'lchov birligi bo'lib, u o'lchangan susayish koeffitsientidan chiziqli ravishda o'zgartiriladi \(\:\mu\:\). U quyidagicha ta'riflanadi:
bu yerda \(\:{\mu\:}_{water}\) suvning susayish koeffitsienti va \(\:{\mu\:}_{air}\) havoning susayish koeffitsienti. Shuning uchun, (6) formuladan suvning HU qiymati 0 ga, havoning HU qiymati esa -1000 ga teng ekanligini ko'ramiz. Inson o'pkasi uchun HU qiymati -600 dan -700 gacha22.
Bir nechta to'qima ekvivalenti materiallari ishlab chiqilgan. Griffith va boshqalar 23 poliuretandan (PU) tayyorlangan inson tanasining to'qima ekvivalenti modelini ishlab chiqdilar, unga turli konsentratsiyadagi kaltsiy karbonat (CaCO3) qo'shilib, inson o'pkasi kabi turli inson organlarining chiziqli susayish koeffitsientlarini simulyatsiya qilishdi va model Griffith deb nomlandi. Taylor24 Lourens Livermor milliy laboratoriyasi (LLNL) tomonidan ishlab chiqilgan LLLL1 deb nomlangan ikkinchi o'pka to'qimasi ekvivalenti modelini taqdim etdi. Traub va boshqalar 25 5,25% CaCO3 ni o'z ichiga olgan Foamex XRS-272 dan foydalanib, samaradorlikni oshiruvchi vosita sifatida foydalangan holda yangi o'pka to'qimasi o'rnini bosuvchi vositani ishlab chiqdilar, u ALT2 deb nomlandi. 1 va 2-jadvallarda inson o'pkasi (ICRU-44) va yuqoridagi to'qima ekvivalenti modellari uchun \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) va massa susayish koeffitsientlarining taqqoslanishi ko'rsatilgan.
Ajoyib radiologik xususiyatlarga qaramay, deyarli barcha fantom materiallari polistirol ko'pikidan tayyorlangan, ya'ni bu materiallarning mexanik xususiyatlari inson o'pkasining xususiyatlariga yaqinlasha olmaydi. Poliuretan ko'pikining Yang moduli (YM) taxminan 500 kPa ni tashkil qiladi, bu oddiy inson o'pkasiga (taxminan 5-10 kPa) nisbatan idealdan ancha uzoq. Shuning uchun haqiqiy inson o'pkasining mexanik va radiologik xususiyatlariga javob beradigan yangi materialni ishlab chiqish zarur.
Gidrogellar to'qima muhandisligida keng qo'llaniladi. Uning tuzilishi va xususiyatlari hujayradan tashqari matritsaga (EKM) o'xshash va osongina sozlanishi mumkin. Ushbu tadqiqotda ko'piklarni tayyorlash uchun biomaterial sifatida sof natriy alginat tanlandi. Alginat gidrogellari biomoslashuvchan va sozlanishi mexanik xususiyatlari tufayli to'qima muhandisligida keng qo'llaniladi. Natriy alginatning (C6H7NaO6)n elementar tarkibi va Ca2+ ning mavjudligi uning radiologik xususiyatlarini kerak bo'lganda sozlash imkonini beradi. Sozlanishi mumkin bo'lgan mexanik va radiologik xususiyatlarning bu kombinatsiyasi alginat gidrogellarini bizning tadqiqotimiz uchun ideal qiladi. Albatta, alginat gidrogellari ham cheklovlarga ega, ayniqsa simulyatsiya qilingan nafas olish sikllari paytida uzoq muddatli barqarorlik nuqtai nazaridan. Shuning uchun, ushbu cheklovlarni bartaraf etish uchun kelajakdagi tadqiqotlarda qo'shimcha yaxshilanishlar zarur va kutilmoqda.
Ushbu ishda biz inson o'pka to'qimalariga o'xshash boshqariladigan rho qiymatlari, elastikligi va radiologik xususiyatlariga ega alginat gidrogel ko'pikli materialini ishlab chiqdik. Ushbu tadqiqot sozlanishi elastik va radiologik xususiyatlarga ega to'qimaga o'xshash fantomlarni ishlab chiqarish uchun umumiy yechimni taqdim etadi. Materiallarning xususiyatlarini har qanday inson to'qimasi va organiga osongina moslashtirish mumkin.
Gidrogel ko'pikining maqsadli havo-hajm nisbati inson o'pkasining HU diapazoni (-600 dan -700 gacha) asosida hisoblab chiqildi. Ko'pik havo va sintetik alginat gidrogelining oddiy aralashmasi deb taxmin qilindi. Alohida elementlarning oddiy qo'shish qoidasidan foydalanib, havoning hajm ulushi va sintezlangan alginat gidrogelining hajm nisbati hisoblanishi mumkin edi.
Alginat gidrogel ko'piklari natriy alginat (qism raqami W201502), CaCO3 (qism raqami 795445, MW: 100.09) va Sigma-Aldrich Company, Sent-Luis, MO dan sotib olingan GDL (qism raqami G4750, MW: 178.14) yordamida tayyorlandi. 70% natriy lauril efir sulfati (SLES 70) Renowned Trading LLC dan sotib olindi. Ko'pik tayyorlash jarayonida deionizatsiyalangan suv ishlatilgan. Natriy alginat xona haroratida deionizatsiyalangan suvda doimiy ravishda aralashtirib (600 rpm) bir hil sariq shaffof eritma olinmaguncha eritildi. CaCO3 GDL bilan birgalikda gelatsiyani boshlash uchun Ca2+ manbai sifatida ishlatilgan. SLES 70 gidrogel ichida g'ovakli tuzilish hosil qilish uchun sirt faol moddasi sifatida ishlatilgan. Alginat konsentratsiyasi 5% da va Ca2+:-COOH molyar nisbati 0.18 da saqlangan. Neytral pH qiymatini saqlab qolish uchun ko'pik tayyorlash jarayonida CaCO3:GDL molyar nisbati ham 0,5 da saqlandi. Qiymat 26,2% ni tashkil qiladi. Barcha namunalarga SLES 70 hajmining 26,2% qo'shildi. Eritma va havoning aralashtirish nisbatini nazorat qilish uchun qopqoqli stakan ishlatilgan. Stakanning umumiy hajmi 140 ml ni tashkil etdi. Nazariy hisoblash natijalariga ko'ra, aralashmaning turli hajmlari (50 ml, 100 ml, 110 ml) havo bilan aralashtirish uchun stakanga qo'shildi. Aralashmaning 50 ml ni o'z ichiga olgan namuna yetarli havo bilan aralashtirish uchun mo'ljallangan edi, boshqa ikkita namunadagi havo hajmi nisbati esa nazorat qilindi. Avvaliga SLES 70 alginat eritmasiga qo'shildi va to'liq aralashguncha elektr aralashtirgich bilan aralashtirildi. Keyin aralashmaga CaCO3 suspenziyasi qo'shildi va aralashma to'liq aralashguncha, rangi oq rangga o'zgarguncha doimiy ravishda aralashtirildi. Nihoyat, jellanishni boshlash uchun aralashmaga GDL eritmasi qo'shildi va butun jarayon davomida mexanik aralashtirish saqlandi. 50 ml aralashmani o'z ichiga olgan namuna uchun, aralashmaning hajmi o'zgarishni to'xtatganda mexanik aralashtirish to'xtatildi. 100 ml va 110 ml aralashmani o'z ichiga olgan namunalar uchun, aralashma stakanni to'ldirganda mexanik aralashtirish to'xtatildi. Shuningdek, biz 50 ml va 100 ml oralig'idagi hajmdagi gidrogel ko'piklarini tayyorlashga harakat qildik. Biroq, ko'pikning strukturaviy beqarorligi kuzatildi, chunki u to'liq havo aralashtirish holati va havo hajmini boshqarish holati o'rtasida o'zgarib turdi, natijada hajmni boshqarish nomuvofiq bo'ldi. Bu beqarorlik hisob-kitoblarga noaniqlik kiritdi va shuning uchun bu hajm diapazoni ushbu tadqiqotga kiritilmadi.
Gidrogel ko'pikining zichligi gidrogel ko'pik namunasining massasi (m) va hajmini (V) o'lchash yo'li bilan hisoblanadi.
Gidrogel ko'piklarining optik mikroskopik tasvirlari Zeiss Axio Observer A1 kamerasi yordamida olingan. Olingan tasvirlar asosida ma'lum bir sohada namunadagi g'ovaklarning soni va o'lcham taqsimotini hisoblash uchun ImageJ dasturi ishlatilgan. G'ovak shakli dumaloq deb taxmin qilinadi.
Alginat gidrogel ko'piklarining mexanik xususiyatlarini o'rganish uchun TESTRESOURCES 100 seriyali mashina yordamida bir o'qli siqish sinovlari o'tkazildi. Namunalar to'rtburchaklar bloklarga kesildi va kuchlanish va deformatsiyalarni hisoblash uchun blok o'lchamlari o'lchandi. Krossover tezligi 10 mm/min ga o'rnatildi. Har bir namuna uchun uchta namuna sinovdan o'tkazildi va natijalardan o'rtacha va standart og'ish hisoblab chiqildi. Ushbu tadqiqot alginat gidrogel ko'piklarining siqish mexanik xususiyatlariga qaratilgan edi, chunki o'pka to'qimasi nafas olish siklining ma'lum bir bosqichida siqish kuchlariga duchor bo'ladi. Cho'zilish, albatta, ayniqsa o'pka to'qimasining to'liq dinamik xatti-harakatlarini aks ettirish uchun juda muhimdir va bu kelajakdagi tadqiqotlarda o'rganiladi.
Tayyorlangan gidrogel ko'pik namunalari Siemens SOMATOM Drive ikki kanalli KT skanerida skanerlandi. Skanerlash parametrlari quyidagicha o'rnatildi: 40 mAs, 120 kVp va 1 mm kesma qalinligi. Olingan DICOM fayllari har bir namunaning 5 ta kesimining HU qiymatlarini tahlil qilish uchun MicroDicom DICOM Viewer dasturi yordamida tahlil qilindi. KT orqali olingan HU qiymatlari namunalarning zichlik ma'lumotlariga asoslangan nazariy hisob-kitoblar bilan taqqoslandi.
Ushbu tadqiqotning maqsadi yumshoq materiallarni muhandislik qilish orqali individual organ modellari va sun'iy biologik to'qimalarni ishlab chiqarishda inqilob qilishdir. Inson o'pkasining ish mexanikasiga mos keladigan mexanik va radiologik xususiyatlarga ega materiallarni ishlab chiqish tibbiy tayyorgarlikni takomillashtirish, jarrohlik rejalashtirish va nur terapiyasini rejalashtirish kabi maqsadli qo'llanmalar uchun muhimdir. 1A-rasmda biz inson o'pkasi modellarini ishlab chiqarishda ishlatiladigan yumshoq materiallarning mexanik va radiologik xususiyatlari o'rtasidagi tafovutni chizdik. Bugungi kunga qadar kerakli radiologik xususiyatlarni namoyish etadigan materiallar ishlab chiqilgan, ammo ularning mexanik xususiyatlari kerakli talablarga javob bermaydi. Poliuretan ko'pik va kauchuk deformatsiyalanadigan inson o'pkasi modellarini ishlab chiqarish uchun eng ko'p ishlatiladigan materiallardir. Poliuretan ko'pikning mexanik xususiyatlari (Yung moduli, YM) odatda oddiy inson o'pka to'qimasinikidan 10 dan 100 baravar yuqori. Kerakli mexanik va radiologik xususiyatlarni namoyish etadigan materiallar hali noma'lum.
(A) Turli yumshoq materiallarning xususiyatlarini sxematik tasvirlash va zichlik, Yung moduli va radiologik xususiyatlar bo'yicha inson o'pkasi bilan taqqoslash (HU da). (B) 5% konsentratsiyali va 0,18 Ca2+:-COOH molyar nisbatiga ega alginat gidrogelining rentgen difraksiyasi naqshlari. (C) Gidrogel ko'piklaridagi havo hajmi nisbatlarining diapazoni. (D) Turli havo hajmi nisbatlariga ega alginat gidrogel ko'piklarining sxematik tasviri.
5% konsentratsiyali va Ca2+:-COOH molyar nisbati 0,18 bo'lgan alginat gidrogellarining elementar tarkibi hisoblab chiqildi va natijalar 3-jadvalda ko'rsatilgan. Oldingi (5) formuladagi qo'shish qoidasiga muvofiq, alginat gidrogelining massa susayish koeffitsienti \(\:\:\mu\:/\rho\:\) 1B-rasmda ko'rsatilganidek olinadi.
Havo va suv uchun \(\:\mu\:/\rho\:\) qiymatlari to'g'ridan-to'g'ri NIST 12612 standartlari ma'lumotlar bazasidan olingan. Shunday qilib, 1C-rasmda inson o'pkasi uchun -600 va -700 oralig'idagi HU ekvivalent qiymatlariga ega gidrogel ko'piklaridagi hisoblangan havo hajmi nisbatlari ko'rsatilgan. Nazariy jihatdan hisoblangan havo hajmi nisbati 1 × 10−3 dan 2 × 101 MeV gacha bo'lgan energiya diapazonida 60–70% oralig'ida barqaror bo'lib, bu gidrogel ko'pikini quyi oqimdagi ishlab chiqarish jarayonlarida qo'llash uchun yaxshi salohiyatga ega ekanligini ko'rsatadi.
1D-rasmda tayyorlangan alginat gidrogel ko'pik namunasi ko'rsatilgan. Barcha namunalar 12,7 mm chekka uzunligi bilan kubiklarga kesilgan. Natijalar shuni ko'rsatdiki, bir hil, uch o'lchovli barqaror gidrogel ko'pik hosil bo'lgan. Havo hajmi nisbatidan qat'i nazar, gidrogel ko'piklarining tashqi ko'rinishida sezilarli farqlar kuzatilmadi. Gidrogel ko'pikining o'zini o'zi ta'minlaydigan xususiyati gidrogel ichida hosil bo'lgan tarmoq ko'pikning o'z og'irligini ko'tara oladigan darajada kuchli ekanligini ko'rsatadi. Ko'pikdan oz miqdorda suv oqishidan tashqari, ko'pik bir necha hafta davomida vaqtinchalik barqarorlikni ham namoyish etdi.
Ko'pik namunasining massasi va hajmini o'lchash orqali tayyorlangan gidrogel ko'pikining zichligi hisoblab chiqildi va natijalar 4-jadvalda ko'rsatilgan. Natijalar havo hajmining nisbatiga bog'liqligini ko'rsatadi. 50 ml namunaga yetarli miqdorda havo aralashtirilganda, zichlik eng past darajaga etadi va 0,482 g/sm3 ni tashkil qiladi. Aralash havo miqdori kamaygan sari zichlik 0,685 g/sm3 gacha oshadi. 50 ml, 100 ml va 110 ml guruhlari orasidagi maksimal p qiymati 0,004 < 0,05 ni tashkil etdi, bu natijalarning statistik ahamiyatini ko'rsatadi.
Nazariy \(\:\rho\:\) qiymati ham boshqariladigan havo hajmi nisbati yordamida hisoblanadi. O'lchangan natijalar shuni ko'rsatadiki, \(\:\rho\:\) nazariy qiymatdan 0,1 g/sm³ kichikroq. Bu farqni gelatsiya jarayonida gidrogelda hosil bo'lgan ichki kuchlanish bilan izohlash mumkin, bu esa shishishni keltirib chiqaradi va shu tariqa \(\:\rho\:\) ning pasayishiga olib keladi. Bu 2-rasmda (A, B va C) ko'rsatilgan KT tasvirlarida gidrogel ko'pik ichidagi ba'zi bo'shliqlarni kuzatish orqali yana bir bor tasdiqlandi.
Har xil havo hajmiga ega gidrogel ko'piklarining optik mikroskopiya tasvirlari (A) 50, (B) 100 va (C) 110. Alginat gidrogel ko'pik namunalarida hujayralar soni va g'ovak o'lchamlarining taqsimoti (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3-rasmda (A, B, C) turli havo hajmi nisbatlariga ega gidrogel ko'pik namunalarining optik mikroskop tasvirlari ko'rsatilgan. Natijalar gidrogel ko'pikining optik tuzilishini namoyish etadi, turli diametrli g'ovaklarning tasvirlarini aniq ko'rsatadi. G'ovaklar soni va diametrining taqsimoti ImageJ yordamida hisoblab chiqilgan. Har bir namuna uchun oltita rasm olingan, har bir tasvirning o'lchami 1125,27 mkm × 843,96 mkm va har bir namunaning umumiy tahlil qilingan maydoni 5,7 mm² ni tashkil etgan.
(A) Turli havo hajmi nisbatlariga ega alginat gidrogel ko'piklarining siqilish kuchlanish-deformatsiya xususiyati. (B) Eksponensial moslashtirish. (C) Turli havo hajmi nisbatlariga ega gidrogel ko'piklarining siqilishi E0. (D) Turli havo hajmi nisbatlariga ega alginat gidrogel ko'piklarining maksimal siqilish kuchlanishi va deformatsiyasi.
3-rasmda (D, E, F) teshik o'lchamlari taqsimoti nisbatan bir xil bo'lib, o'nlab mikrometrlardan taxminan 500 mikrometrgacha o'zgarib turishi ko'rsatilgan. G'ovak o'lchami asosan bir xil va havo hajmi kamaygan sari u biroz kamayadi. Sinov ma'lumotlariga ko'ra, 50 ml namunaning o'rtacha g'ovak o'lchami 192,16 mkm, mediana 184,51 mkm va birlik maydonga to'g'ri keladigan g'ovaklar soni 103 ta; 100 ml namunaning o'rtacha g'ovak o'lchami 156,62 mkm, mediana 151,07 mkm va birlik maydonga to'g'ri keladigan g'ovaklar soni 109 ta; 110 ml namunaning mos keladigan qiymatlari mos ravishda 163,07 mkm, 150,29 mkm va 115 ta. Ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, kattaroq teshikchalar o'rtacha teshikcha hajmining statistik natijalariga ko'proq ta'sir qiladi va o'rtacha teshikcha hajmi teshikcha hajmining o'zgarish tendentsiyasini yaxshiroq aks ettirishi mumkin. Namuna hajmi 50 ml dan 110 ml gacha oshgani sayin, teshikchalar soni ham ortadi. O'rtacha teshik diametri va teshikchalar sonining statistik natijalarini birlashtirib, hajm oshishi bilan namuna ichida kichikroq o'lchamdagi ko'proq teshikchalar hosil bo'ladi degan xulosaga kelish mumkin.
Mexanik sinov ma'lumotlari 4A va 4D-rasmlarda ko'rsatilgan. 4A-rasmda turli havo hajmi nisbatlariga ega tayyorlangan gidrogel ko'piklarining siqilish kuchlanish-deformatsiya xususiyati ko'rsatilgan. Natijalar shuni ko'rsatadiki, barcha namunalar o'xshash chiziqli bo'lmagan kuchlanish-deformatsiya xususiyatiga ega. Har bir namuna uchun kuchlanish deformatsiyaning oshishi bilan tezroq oshadi. Gidrogel ko'pikining siqilish kuchlanish-deformatsiya xususiyatiga eksponensial egri chiziq moslashtirildi. 4B-rasmda eksponensial funksiya gidrogel ko'pikiga taxminiy model sifatida qo'llanilgandan keyingi natijalar ko'rsatilgan.
Havo hajmi nisbatlari har xil bo'lgan gidrogel ko'piklari uchun ularning siqilish moduli (E0) ham o'rganildi. Gidrogellarni tahlil qilishda bo'lgani kabi, siqilish Yang moduli 20% boshlang'ich kuchlanish oralig'ida o'rganildi. Siqish sinovlari natijalari 4C-rasmda ko'rsatilgan. 4C-rasmdagi natijalar shuni ko'rsatadiki, havo hajmi nisbati 50-namunadan 110-namunagacha kamaygan sari, alginat gidrogel ko'pikining siqilish Yang moduli E0 10,86 kPa dan 18 kPa gacha oshadi.
Xuddi shunday, gidrogel ko'piklarining to'liq kuchlanish-deformatsiya egri chiziqlari, shuningdek, maksimal siqish kuchlanishi va deformatsiya qiymatlari olindi. 4D-rasmda alginat gidrogel ko'piklarining maksimal siqish kuchlanishi va deformatsiyasi ko'rsatilgan. Har bir ma'lumot nuqtasi uchta sinov natijasining o'rtacha qiymatidir. Natijalar shuni ko'rsatadiki, gaz miqdori kamayishi bilan maksimal siqish kuchlanishi 9,84 kPa dan 17,58 kPa gacha oshadi. Maksimal deformatsiya taxminan 38% da barqaror bo'lib qoladi.
2-rasmda (A, B va C) mos ravishda 50, 100 va 110 namunalariga mos keladigan turli havo hajmi nisbatlariga ega gidrogel ko'piklarining KT tasvirlari ko'rsatilgan. Tasvirlarda hosil bo'lgan gidrogel ko'pik deyarli bir xil ekanligi ko'rsatilgan. 100 va 110 namunalarida oz miqdordagi bo'shliqlar kuzatilgan. Bu bo'shliqlarning hosil bo'lishi gelatsiya jarayonida gidrogelda hosil bo'lgan ichki kuchlanish tufayli bo'lishi mumkin. Biz har bir namunaning 5 ta ko'ndalang kesimi uchun HU qiymatlarini hisobladik va ularni tegishli nazariy hisoblash natijalari bilan birga 5-jadvalda keltirdik.
5-jadvalda havo hajmi nisbati turlicha bo'lgan namunalar turli HU qiymatlarini olganligi ko'rsatilgan. 50 ml, 100 ml va 110 ml guruhlari orasidagi maksimal p qiymati 0,004 < 0,05 ni tashkil etdi, bu natijalarning statistik ahamiyatini ko'rsatadi. Sinovdan o'tgan uchta namunalar orasida 50 ml aralashmasi bo'lgan namuna inson o'pkasining radiologik xususiyatlariga eng yaqin edi. 5-jadvalning oxirgi ustuni o'lchangan ko'pik qiymatiga asoslangan nazariy hisoblash orqali olingan natijadir \(\:\rho\:\). O'lchangan ma'lumotlarni nazariy natijalar bilan taqqoslash orqali KT orqali olingan HU qiymatlari odatda nazariy natijalarga yaqin ekanligini aniqlash mumkin, bu esa o'z navbatida 1C-rasmdagi havo hajmi nisbati hisoblash natijalarini tasdiqlaydi.
Ushbu tadqiqotning asosiy maqsadi inson o'pkasining mexanik va radiologik xususiyatlariga o'xshash material yaratishdir. Bu maqsadga inson o'pkasining mexanik va radiologik xususiyatlariga iloji boricha yaqin bo'lgan, moslashtirilgan to'qima ekvivalentiga ega bo'lgan gidrogel asosidagi materialni ishlab chiqish orqali erishildi. Nazariy hisob-kitoblarga asoslanib, natriy alginat eritmasi, CaCO3, GDL va SLES 70 ni mexanik ravishda aralashtirish orqali turli havo hajmi nisbatlariga ega gidrogel ko'piklari tayyorlandi. Morfologik tahlil shuni ko'rsatdiki, bir hil uch o'lchovli barqaror gidrogel ko'pik hosil bo'lgan. Havo hajmi nisbatini o'zgartirish orqali ko'pikning zichligi va g'ovakliligi istalgancha o'zgarishi mumkin. Havo hajmi miqdorining oshishi bilan g'ovak hajmi biroz kamayadi va g'ovaklar soni ortadi. Alginat gidrogel ko'piklarining mexanik xususiyatlarini tahlil qilish uchun siqish sinovlari o'tkazildi. Natijalar shuni ko'rsatdiki, siqish sinovlaridan olingan siqish moduli (E0) inson o'pkasi uchun ideal diapazonda. Havo hajmi nisbati pasayishi bilan E0 ortadi. Tayyorlangan namunalarning radiologik xususiyatlari (RX) qiymatlari namunalarning KT ma'lumotlari asosida olindi va nazariy hisob-kitoblar natijalari bilan taqqoslandi. Natijalar ijobiy bo'ldi. O'lchangan qiymat inson o'pkasining RX qiymatiga ham yaqin. Natijalar shuni ko'rsatadiki, inson o'pkasining xususiyatlarini taqlid qiluvchi mexanik va radiologik xususiyatlarning ideal kombinatsiyasiga ega to'qimalarni taqlid qiluvchi gidrogel ko'piklarini yaratish mumkin.
Istiqbolli natijalarga qaramay, nazariy hisob-kitoblar va haqiqiy inson o'pkalari bashoratlariga global va mahalliy miqyosda mos kelish uchun havo hajmi nisbati va g'ovakliligini yaxshiroq nazorat qilish uchun mavjud ishlab chiqarish usullarini takomillashtirish kerak. Hozirgi tadqiqot, shuningdek, siqishni mexanikasini sinab ko'rish bilan cheklangan, bu esa fantomning nafas olish siklining siqilish bosqichiga potentsial qo'llanilishini cheklaydi. Kelajakdagi tadqiqotlar dinamik yuklanish sharoitida potentsial qo'llanilishini baholash uchun cho'zilish sinovini, shuningdek, materialning umumiy mexanik barqarorligini o'rganishdan foyda ko'radi. Ushbu cheklovlarga qaramay, tadqiqot inson o'pkasini taqlid qiladigan bitta materialda radiologik va mexanik xususiyatlarni birlashtirish bo'yicha birinchi muvaffaqiyatli urinishdir.
Joriy tadqiqot davomida yaratilgan va/yoki tahlil qilingan ma'lumotlar to'plamlari tegishli muallifdan oqilona so'rov bo'yicha olinishi mumkin. Ham tajribalar, ham ma'lumotlar to'plamlari takrorlanishi mumkin.
Song, G. va boshqalar. Saraton nurlanish terapiyasi uchun yangi nanotexnologiyalar va ilg'or materiallar. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ va boshqalar. Radiatsiya onkologiyasida nafas olish harakatlarini boshqarish bo'yicha AAPM 76a ishchi guruhining hisoboti. Tibbiyot fanlari jurnali 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. va Brock, KK Inson o'pkasida interfeys va materialning chiziqli bo'lmaganligini modellashtirish. Fizika va tibbiyot va biologiya 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. va boshqalar. 3D bioprinting orqali yaratilgan o'sma shaklidagi o'pka saratoni modeli. 3. Biotexnologiya. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Li, M. va boshqalar. O'pka deformatsiyasini modellashtirish: deformatsiyalanadigan tasvirni ro'yxatga olish texnikasini va fazoviy o'zgaruvchan Yang modulini baholashni birlashtirgan usul. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF va boshqalar. Tirik to'qimalarning qattiqligi va uning to'qima muhandisligi uchun ahamiyati. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).