Děkujeme za návštěvu webu nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat nejnovější verzi prohlížeče (nebo vypnout režim kompatibility v prohlížeči Internet Explorer). Abychom zajistili trvalou podporu, tento web nebude obsahovat styly ani JavaScript.
Pohyb orgánů a tkání může vést k chybám v umístění rentgenového záření během radioterapie. Proto jsou pro optimalizaci radioterapie zapotřebí materiály s tkáňově ekvivalentními mechanickými a radiologickými vlastnostmi, které napodobují pohyb orgánů. Vývoj takových materiálů však zůstává výzvou. Alginátové hydrogely mají vlastnosti podobné vlastnostem extracelulární matrice, což je činí slibnými jako tkáňově ekvivalentní materiály. V této studii byly syntetizovány alginátové hydrogelové pěny s požadovanými mechanickými a radiologickými vlastnostmi uvolňováním Ca2+ in situ. Poměr vzduchu k objemu byl pečlivě kontrolován, aby se získaly hydrogelové pěny s definovanými mechanickými a radiologickými vlastnostmi. Byla charakterizována makro- a mikromorfologie materiálů a bylo studováno chování hydrogelových pěn při stlačení. Radiologické vlastnosti byly teoreticky odhadnuty a experimentálně ověřeny pomocí počítačové tomografie. Tato studie osvětluje budoucí vývoj tkáňově ekvivalentních materiálů, které lze použít pro optimalizaci radiační dávky a kontrolu kvality během radioterapie.
Radioterapie je běžnou léčbou rakoviny1. Pohyb orgánů a tkání často vede k chybám v umístění rentgenového záření během radioterapie2, což může vést k nedostatečné léčbě nádoru a nadměrnému vystavení okolních zdravých buněk zbytečnému záření. Schopnost předvídat pohyb orgánů a tkání je zásadní pro minimalizaci chyb v lokalizaci nádoru. Tato studie se zaměřila na plíce, protože ty při dýchání pacientů během radioterapie docházejí k významným deformacím a pohybům. Byly vyvinuty a aplikovány různé modely konečných prvků k simulaci pohybu lidských plic3,4,5. Lidské orgány a tkáně však mají složitou geometrii a jsou vysoce závislé na pacientovi. Proto jsou materiály s vlastnostmi ekvivalentními tkáním velmi užitečné pro vývoj fyzikálních modelů k validaci teoretických modelů, usnadnění zlepšení lékařské péče a pro účely lékařského vzdělávání.
Vývoj materiálů napodobujících měkké tkáně za účelem dosažení složitých vnějších a vnitřních strukturálních geometrií přitahuje velkou pozornost, protože jejich inherentní mechanické nekonzistence mohou vést k selhání v cílových aplikacích6,7. Modelování komplexní biomechaniky plicní tkáně, která kombinuje extrémní měkkost, elasticitu a strukturální poréznost, představuje významnou výzvu při vývoji modelů, které přesně reprodukují lidské plíce. Integrace a sladění mechanických a radiologických vlastností jsou zásadní pro efektivní výkon plicních modelů v terapeutických intervencích. Aditivní výroba se ukázala jako účinná při vývoji modelů specifických pro pacienta, což umožňuje rychlé prototypování složitých návrhů. Shin a kol.8 vyvinuli reprodukovatelný, deformovatelný model plic s dýchacími cestami vytištěnými na 3D tisku. Haselaar a kol.9 vyvinuli fantom velmi podobný skutečným pacientům pro metody hodnocení kvality obrazu a ověřování polohy pro radioterapii. Hong a kol.10 vyvinuli model hrudníku CT s využitím 3D tisku a technologie silikonového odlévání pro reprodukci intenzity CT různých plicních lézí a vyhodnocení přesnosti kvantifikace. Tyto prototypy jsou však často vyrobeny z materiálů, jejichž účinné vlastnosti se velmi liší od vlastností plicní tkáně11.
V současné době je většina plicních fantomů vyrobena ze silikonu nebo polyuretanové pěny, které neodpovídají mechanickým a radiologickým vlastnostem skutečného plicního parenchymu.12,13 Alginátové hydrogely jsou biokompatibilní a díky svým laditelným mechanickým vlastnostem se široce používají v tkáňovém inženýrství.14 Reprodukce ultraměkké, pěnovité konzistence potřebné pro plicní fantom, který přesně napodobuje elasticitu a výplňovou strukturu plicní tkáně, však zůstává experimentální výzvou.
V této studii se předpokládalo, že plicní tkáň je homogenní elastický materiál. Hustota lidské plicní tkáně (\(\:\rho\:\)) je uváděna na úrovni 1,06 g/cm3 a hustota nafouknuté plíce je 0,26 g/cm315. Pomocí různých experimentálních metod bylo získáno široké rozmezí hodnot Youngova modulu pružnosti (MY) plicní tkáně. Lai-Fook a kol.16 naměřili Youngův modul pružnosti (YM) lidských plic s rovnoměrným nafouknutím na 0,42–6,72 kPa. Goss a kol.17 použili magnetickou rezonanční elastografii a uvádějí YM 2,17 kPa. Liu a kol.18 uvádějí přímo naměřený YM 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi a kol.19 odhadli YM na 0,1–2,7 kPa na základě 4D CT dat získaných od vybraných pacientů.
Pro radiologické vlastnosti plic se používá několik parametrů k popisu interakčního chování plicní tkáně s rentgenovým zářením, včetně elementárního složení, elektronové hustoty (\(\:{rho\:}_{e}\) ...
Elektronová hustota \(\:{\rho\:}_{e}\) je definována jako počet elektronů na jednotku objemu a vypočítá se následovně:
kde \(\:\rho\:\) je hustota materiálu v g/cm3, \(\:{N}_{A}\) je Avogadrova konstanta, \(\:{w}_{i}\) je hmotnostní zlomek, \(\:{Z}_{i}\) je atomové číslo a \(\:{A}_{i}\) je atomová hmotnost i-tého prvku.
Atomové číslo přímo souvisí s povahou radiační interakce v materiálu. U sloučenin a směsí obsahujících několik prvků (např. tkaniny) je nutné vypočítat efektivní atomové číslo \(\:{Z}_{eff}\). Vzorec navrhli Murthy a kol. 20:
Průměrná excitační energie \(\:I\) popisuje, jak snadno cílový materiál absorbuje kinetickou energii pronikajících částic. Popisuje pouze vlastnosti cílového materiálu a nemá nic společného s vlastnostmi částic. \(\:I\) lze vypočítat použitím Braggova pravidla aditivity:
Koeficient útlumu hmotnosti (μ/ρ) popisuje průnik a uvolňování energie fotonů v cílovém materiálu. Lze jej vypočítat pomocí následujícího vzorce:
Kde \(\:x\) je tloušťka materiálu, \(\:{I}_{0}\) je intenzita dopadajícího světla a \(\:I\) je intenzita fotonů po průniku do materiálu. Data \(\:\mu\:/\rho\:\) lze získat přímo z referenční databáze norem NIST 12621. Hodnoty \(\:\mu\:/\rho\:\) pro směsi a sloučeniny lze odvodit pomocí pravidla aditivity takto:
HU je standardizovaná bezrozměrná jednotka měření radiodenzity při interpretaci dat počítačové tomografie (CT), která se lineárně transformuje z naměřeného koeficientu útlumu \(\:\mu\:\). Je definována jako:
kde \(\:{\mu\:}_{voda}\) je koeficient útlumu vody a \(\:{\mu\:}_{vzduch}\) je koeficient útlumu vzduchu. Z vzorce (6) tedy vidíme, že hodnota HU vody je 0 a hodnota HU vzduchu je -1000. Hodnota HU pro lidské plíce se pohybuje od -600 do -70022.
Bylo vyvinuto několik materiálů ekvivalentních tkání. Griffith a kol.23 vyvinuli model ekvivalentní tkáni lidského trupu vyrobený z polyuretanu (PU), ke kterému byly přidány různé koncentrace uhličitanu vápenatého (CaCO3) pro simulaci lineárních koeficientů útlumu různých lidských orgánů včetně lidských plic, a model byl pojmenován Griffith. Taylor24 představil druhý model ekvivalentní plicní tkáni vyvinutý Národní laboratoří Lawrence Livermore (LLNL) s názvem LLLL1. Traub a kol.25 vyvinuli novou náhradu plicní tkáně s použitím Foamex XRS-272 obsahujícího 5,25 % CaCO3 jako zesilovače výkonu, která byla pojmenována ALT2. Tabulky 1 a 2 ukazují srovnání koeficientů útlumu \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:\I\) a hmotnostních koeficientů útlumu pro lidské plíce (ICRU-44) a výše uvedené modely ekvivalentních tkání.
Navzdory dosaženým vynikajícím radiologickým vlastnostem jsou téměř všechny fantomové materiály vyrobeny z polystyrenové pěny, což znamená, že mechanické vlastnosti těchto materiálů se nemohou přiblížit vlastnostem lidských plic. Youngův modul (YM) polyuretanové pěny je asi 500 kPa, což je ve srovnání s normálními lidskými plícemi (asi 5-10 kPa) daleko od ideálu. Proto je nutné vyvinout nový materiál, který by splňoval mechanické a radiologické vlastnosti skutečných lidských plic.
Hydrogely se široce používají v tkáňovém inženýrství. Jejich struktura a vlastnosti jsou podobné extracelulární matrici (ECM) a lze je snadno upravovat. V této studii byl jako biomateriál pro přípravu pěn vybrán čistý alginát sodný. Alginátové hydrogely jsou biokompatibilní a díky svým nastavitelným mechanickým vlastnostem se široce používají v tkáňovém inženýrství. Elementární složení alginátu sodného (C6H7NaO6)n a přítomnost Ca2+ umožňují úpravu jeho radiologických vlastností dle potřeby. Tato kombinace nastavitelných mechanických a radiologických vlastností činí alginátové hydrogely ideálními pro naši studii. Alginátové hydrogely mají samozřejmě i svá omezení, zejména pokud jde o dlouhodobou stabilitu během simulovaných dýchacích cyklů. Proto jsou zapotřebí a v budoucích studiích se očekávají další vylepšení, která by tato omezení řešila.
V této práci jsme vyvinuli pěnový materiál z alginátového hydrogelu s řiditelnými hodnotami rho, elasticitou a radiologickými vlastnostmi podobnými vlastnostem lidské plicní tkáně. Tato studie poskytne obecné řešení pro výrobu tkáňových fantomů s laditelnými elastickými a radiologickými vlastnostmi. Vlastnosti materiálu lze snadno přizpůsobit jakékoli lidské tkáni a orgánu.
Cílový poměr vzduchu k objemu hydrogelové pěny byl vypočítán na základě rozsahu HU lidských plic (-600 až -700). Předpokládalo se, že pěna je jednoduchá směs vzduchu a syntetického alginátového hydrogelu. Pomocí jednoduchého pravidla sčítání jednotlivých prvků (\:\mu\:/\rho\:\) bylo možné vypočítat objemový podíl vzduchu a objemový poměr syntetizovaného alginátového hydrogelu.
Alginátové hydrogelové pěny byly připraveny za použití alginátu sodného (číslo dílu W201502), CaCO3 (číslo dílu 795445, MW: 100,09) a GDL (číslo dílu G4750, MW: 178,14) zakoupených od společnosti Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% lauryl-ethersulfát sodný (SLES 70) byl zakoupen od společnosti Renowned Trading LLC. Při přípravě pěny byla použita deionizovaná voda. Alginát sodný byl rozpuštěn v deionizované vodě při pokojové teplotě za stálého míchání (600 ot/min), dokud nebyl získán homogenní žlutý průsvitný roztok. CaCO3 v kombinaci s GDL byl použit jako zdroj Ca2+ pro zahájení gelace. SLES 70 byl použit jako povrchově aktivní látka pro vytvoření porézní struktury uvnitř hydrogelu. Koncentrace alginátu byla udržována na 5 % a molární poměr Ca2+:-COOH byl udržován na 0,18. Molární poměr CaCO3:GDL byl během přípravy pěny udržován na hodnotě 0,5, aby se udrželo neutrální pH. Hodnota je 26,2 % objemových SLES 70. Pro regulaci poměru míchání roztoku a vzduchu byla použita kádinka s víkem. Celkový objem kádinky byl 140 ml. Na základě výsledků teoretického výpočtu byly do kádinky přidány různé objemy směsi (50 ml, 100 ml, 110 ml) za účelem smíchání se vzduchem. Vzorek obsahující 50 ml směsi byl navržen tak, aby se mísil s dostatečným množstvím vzduchu, zatímco poměr objemů vzduchu v ostatních dvou vzorcích byl řízen. Nejprve byl do roztoku alginátu přidán SLES 70 a míchán elektrickým míchadlem, dokud se zcela nepromísil. Poté byla do směsi přidána suspenze CaCO3 a míchána nepřetržitě, dokud se směs zcela nepromísila, kdy se její barva změnila na bílou. Nakonec byl do směsi přidán roztok GDL pro zahájení gelace a po celou dobu procesu bylo udržováno mechanické míchání. U vzorku obsahujícího 50 ml směsi bylo mechanické míchání zastaveno, když se objem směsi přestal měnit. U vzorků obsahujících 100 ml a 110 ml směsi bylo mechanické míchání zastaveno, když směs naplnila kádinku. Pokusili jsme se také připravit hydrogelové pěny s objemem mezi 50 ml a 100 ml. Byla však pozorována strukturální nestabilita pěny, protože kolísala mezi stavem úplného promíchání vzduchu a stavem regulace objemu vzduchu, což vedlo k nekonzistentní regulaci objemu. Tato nestabilita vnesla do výpočtů nejistotu, a proto tento objemový rozsah nebyl do této studie zahrnut.
Hustota hydrogelové pěny (ρ) se vypočítává měřením hmotnosti (m) a objemu (V) vzorku hydrogelové pěny.
Optické mikroskopické snímky hydrogelových pěn byly pořízeny pomocí kamery Zeiss Axio Observer A1. Pro výpočet počtu a distribuce velikosti pórů ve vzorku v určité oblasti na základě získaných snímků byl použit software ImageJ. Tvar pórů se předpokládá jako kruhový.
Pro studium mechanických vlastností alginátových hydrogelových pěn byly provedeny jednoosé kompresní testy za použití stroje TESTRESOURCES řady 100. Vzorky byly nařezány na obdélníkové bloky a rozměry bloků byly změřeny pro výpočet napětí a deformací. Rychlost pohybu příčníku byla nastavena na 10 mm/min. Pro každý vzorek byly testovány tři vzorky a z výsledků byla vypočtena průměrná hodnota a směrodatná odchylka. Tato studie se zaměřila na kompresní mechanické vlastnosti alginátových hydrogelových pěn, protože plicní tkáň je v určité fázi dýchacího cyklu vystavena tlakovým silám. Roztažnost je samozřejmě klíčová, zejména pro zohlednění plného dynamického chování plicní tkáně, a to bude zkoumáno v budoucích studiích.
Připravené vzorky hydrogelové pěny byly skenovány na dvoukanálovém CT skeneru Siemens SOMATOM Drive. Parametry skenování byly nastaveny následovně: 40 mAs, 120 kVp a tloušťka řezu 1 mm. Výsledné soubory DICOM byly analyzovány pomocí softwaru MicroDicom DICOM Viewer za účelem analýzy hodnot HU 5 průřezů každého vzorku. Hodnoty HU získané pomocí CT byly porovnány s teoretickými výpočty založenými na datech hustoty vzorků.
Cílem této studie je způsobit revoluci ve výrobě modelů jednotlivých orgánů a umělých biologických tkání pomocí konstrukce měkkých materiálů. Vývoj materiálů s mechanickými a radiologickými vlastnostmi, které odpovídají pracovní mechanice lidských plic, je důležitý pro cílené aplikace, jako je zlepšení lékařského vzdělávání, chirurgické plánování a plánování radioterapie. Na obrázku 1A jsme znázornili rozdíl mezi mechanickými a radiologickými vlastnostmi měkkých materiálů údajně používaných k výrobě modelů lidských plic. Dosud byly vyvinuty materiály, které vykazují požadované radiologické vlastnosti, ale jejich mechanické vlastnosti nesplňují požadované požadavky. Polyuretanová pěna a kaučuk jsou nejrozšířenějšími materiály pro výrobu deformovatelných modelů lidských plic. Mechanické vlastnosti polyuretanové pěny (Youngův modul, YM) jsou typicky 10 až 100krát vyšší než u normální lidské plicní tkáně. Materiály, které vykazují požadované mechanické i radiologické vlastnosti, dosud nejsou známy.
(A) Schematické znázornění vlastností různých měkkých materiálů a srovnání s lidskými plícemi z hlediska hustoty, Youngova modulu a radiologických vlastností (v HU). (B) Rentgenový difrakční obrazec alginátového hydrogelu (\:\mu\:/\rho\:\) s koncentrací 5 % a molárním poměrem Ca2+:-COOH 0,18. (C) Rozsah poměrů objemů vzduchu v hydrogelových pěnách. (D) Schematické znázornění alginátových hydrogelových pěn s různými poměry objemů vzduchu.
Bylo vypočítáno elementární složení alginátových hydrogelů s koncentrací 5 % a molárním poměrem Ca2+:-COOH 0,18 a výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. Podle pravidla sčítání v předchozím vzorci (5) se získá koeficient útlumu hmotnosti alginátového hydrogelu (\:\:\mu\:/\rho\:\), jak je znázorněno na obrázku 1B.
Hodnoty \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​pro vzduch a vodu byly získány přímo z referenční databáze norem NIST 12612. Obrázek 1C tedy ukazuje vypočítané poměry objemů vzduchu v hydrogelových pěnách s ekvivalentními hodnotami HU mezi -600 a -700 pro lidské plíce. Teoreticky vypočítaný poměr objemů vzduchu je stabilní v rozmezí 60–70 % v energetickém rozsahu od 1 × 10−3 do 2 × 10^1 MeV, což naznačuje dobrý potenciál pro aplikaci hydrogelové pěny v následných výrobních procesech.
Obrázek 1D ukazuje připravený vzorek alginátové hydrogelové pěny. Všechny vzorky byly nakrájeny na kostky s délkou hrany 12,7 mm. Výsledky ukázaly, že se vytvořila homogenní, trojrozměrně stabilní hydrogelová pěna. Bez ohledu na poměr objemů vzduchu nebyly pozorovány žádné významné rozdíly ve vzhledu hydrogelových pěn. Samoudržitelná povaha hydrogelové pěny naznačuje, že síť vytvořená uvnitř hydrogelu je dostatečně pevná, aby unesla hmotnost samotné pěny. Kromě malého úniku vody z pěny pěna také vykazovala přechodnou stabilitu po dobu několika týdnů.
Změřením hmotnosti a objemu vzorku pěny byla vypočtena hustota připravené hydrogelové pěny (ρ) a výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Výsledky ukazují závislost ρ na objemovém poměru vzduchu. Pokud se s 50 ml vzorku smíchá dostatečné množství vzduchu, hustota se stává nejnižší a činí 0,482 g/cm3. S klesajícím množstvím smíchaného vzduchu se hustota zvyšuje na 0,685 g/cm3. Maximální hodnota p mezi skupinami 50 ml, 100 ml a 110 ml byla 0,004 < 0,05, což ukazuje na statistickou významnost výsledků.
Teoretická hodnota \(\:\rho\:\) je také vypočítána s použitím řízeného poměru objemů vzduchu. Naměřené výsledky ukazují, že \(\:\rho\:\) je o 0,1 g/cm³ menší než teoretická hodnota. Tento rozdíl lze vysvětlit vnitřním napětím generovaným v hydrogelu během procesu gelace, které způsobuje bobtnání a vede tak ke snížení \(\:\rho\:\). To bylo dále potvrzeno pozorováním některých mezer uvnitř hydrogelové pěny na CT snímcích znázorněných na obrázku 2 (A, B a C).
Snímky hydrogelových pěn s různým objemovým obsahem vzduchu z optické mikroskopie (A) 50, (B) 100 a (C) 110. Počet buněk a distribuce velikosti pórů ve vzorcích alginátových hydrogelových pěn (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Obrázek 3 (A, B, C) ukazuje snímky vzorků hydrogelové pěny s různými poměry objemu vzduchu pořízené optickým mikroskopem. Výsledky demonstrují optickou strukturu hydrogelové pěny a jasně ukazují snímky pórů s různými průměry. Rozložení počtu pórů a průměru bylo vypočítáno pomocí programu ImageJ. Pro každý vzorek bylo pořízeno šest snímků, každý snímek měl velikost 1125,27 μm × 843,96 μm a celková analyzovaná plocha pro každý vzorek byla 5,7 mm².
(A) Chování alginátových hydrogelových pěn v závislosti na tlaku a deformaci s různými poměry objemu vzduchu. (B) Exponenciální fitování. (C) Komprese E0 hydrogelových pěn s různými poměry objemu vzduchu. (D) Mezní tlakové napětí a deformace alginátových hydrogelových pěn s různými poměry objemu vzduchu.
Obrázek 3 (D, E, F) ukazuje, že distribuce velikosti pórů je relativně rovnoměrná a pohybuje se od desítek mikrometrů do přibližně 500 mikrometrů. Velikost pórů je v podstatě rovnoměrná a s klesajícím objemem vzduchu mírně klesá. Podle testovacích dat je průměrná velikost pórů vzorku o objemu 50 ml 192,16 μm, medián je 184,51 μm a počet pórů na jednotku plochy je 103; průměrná velikost pórů vzorku o objemu 100 ml je 156,62 μm, medián je 151,07 μm a počet pórů na jednotku plochy je 109; odpovídající hodnoty vzorku o objemu 110 ml jsou 163,07 μm, 150,29 μm a 115. Data ukazují, že větší póry mají větší vliv na statistické výsledky průměrné velikosti pórů a medián velikosti pórů může lépe odrážet trend změny velikosti pórů. S rostoucím objemem vzorku z 50 ml na 110 ml se zvyšuje i počet pórů. Kombinací statistických výsledků středního průměru pórů a počtu pórů lze usoudit, že se zvyšujícím se objemem se uvnitř vzorku tvoří více pórů menší velikosti.
Data z mechanických zkoušek jsou znázorněna na obrázcích 4A a 4D. Obrázek 4A ukazuje chování tlakového napětí a deformace připravených hydrogelových pěn s různými poměry objemů vzduchu. Výsledky ukazují, že všechny vzorky mají podobné nelineární chování napětí a deformace. U každého vzorku se napětí s rostoucím napětím zvyšuje rychleji. Pro chování tlakového napětí a deformace hydrogelové pěny byla sestavena exponenciální křivka. Obrázek 4B ukazuje výsledky po aplikaci exponenciální funkce jako aproximačního modelu na hydrogelovou pěnu.
U hydrogelových pěn s různými poměry objemu vzduchu byl také studován jejich modul pružnosti v tlaku (E0). Podobně jako u analýzy hydrogelů byl Youngův modul pružnosti v tlaku zkoumán v rozsahu 20% počátečního napětí. Výsledky kompresních testů jsou znázorněny na obrázku 4C. Výsledky na obrázku 4C ukazují, že s klesajícím poměrem objemu vzduchu od vzorku 50 ke vzorku 110 se Youngův modul pružnosti v tlaku E0 alginátové hydrogelové pěny zvyšuje z 10,86 kPa na 18 kPa.
Podobně byly získány kompletní křivky napětí-deformace hydrogelových pěn, stejně jako hodnoty mezního tlakového napětí a deformace. Obrázek 4D ukazuje mezní tlakové napětí a deformaci alginátových hydrogelových pěn. Každý datový bod je průměrem ze tří výsledků testů. Výsledky ukazují, že mezní tlakové napětí se zvyšuje z 9,84 kPa na 17,58 kPa se snižujícím se obsahem plynu. Mezní deformace zůstává stabilní na přibližně 38 %.
Obrázek 2 (A, B a C) ukazuje CT snímky hydrogelových pěn s různými poměry objemu vzduchu odpovídající vzorkům 50, 100 a 110. Snímky ukazují, že vytvořená hydrogelová pěna je téměř homogenní. U vzorků 100 a 110 byl pozorován malý počet mezer. Vznik těchto mezer může být způsoben vnitřním napětím generovaným v hydrogelu během procesu gelace. Vypočítali jsme hodnoty HU pro 5 průřezů každého vzorku a uvedli je v tabulce 5 spolu s odpovídajícími teoretickými výsledky výpočtů.
Tabulka 5 ukazuje, že vzorky s různými poměry objemů vzduchu dosáhly různých hodnot HU. Maximální hodnota p mezi skupinami 50 ml, 100 ml a 110 ml byla 0,004 < 0,05, což ukazuje na statistickou významnost výsledků. Ze tří testovaných vzorků měl vzorek s 50ml směsí radiologické vlastnosti nejblíže vlastnostem lidských plic. Poslední sloupec tabulky 5 je výsledek získaný teoretickým výpočtem na základě naměřené hodnoty pěny (ρ). Porovnáním naměřených dat s teoretickými výsledky lze zjistit, že hodnoty HU získané CT skenováním se obecně blíží teoretickým výsledkům, což potvrzuje výsledky výpočtu poměru objemů vzduchu na obrázku 1C.
Hlavním cílem této studie je vytvořit materiál s mechanickými a radiologickými vlastnostmi srovnatelnými s vlastnostmi lidských plic. Tohoto cíle bylo dosaženo vývojem materiálu na bázi hydrogelu s přizpůsobenými mechanickými a radiologickými vlastnostmi ekvivalentními tkáni, které se co nejvíce blíží vlastnostem lidských plic. Na základě teoretických výpočtů byly mechanickým smícháním roztoku alginátu sodného, ​​CaCO3, GDL a SLES 70 připraveny hydrogelové pěny s různými poměry objemu vzduchu. Morfologická analýza ukázala, že vznikla homogenní trojrozměrná stabilní hydrogelová pěna. Změnou poměru objemu vzduchu lze libovolně měnit hustotu a pórovitost pěny. Se zvyšujícím se objemovým obsahem vzduchu se velikost pórů mírně snižuje a počet pórů se zvyšuje. Byly provedeny kompresní testy za účelem analýzy mechanických vlastností alginátových hydrogelových pěn. Výsledky ukázaly, že modul pružnosti v tlaku (E0) získaný z kompresních testů je v ideálním rozmezí pro lidské plíce. E0 se zvyšuje se snižujícím se poměrem objemu vzduchu. Hodnoty radiologických vlastností (HU) připravených vzorků byly získány na základě CT dat vzorků a porovnány s výsledky teoretických výpočtů. Výsledky byly příznivé. Naměřená hodnota se také blíží hodnotě HU lidských plic. Výsledky ukazují, že je možné vytvořit hydrogelové pěny napodobující tkáň s ideální kombinací mechanických a radiologických vlastností, které napodobují vlastnosti lidských plic.
Navzdory slibným výsledkům je třeba zlepšit současné metody výroby, aby bylo možné lépe kontrolovat poměr objemu vzduchu a pórovitost a odpovídat tak predikcím z teoretických výpočtů a skutečných lidských plic v globálním i lokálním měřítku. Současná studie je také omezena na testování kompresní mechaniky, což omezuje potenciální použití fantomu na kompresní fázi dýchacího cyklu. Budoucí výzkum by prospěl zkoumání tahových zkoušek a celkové mechanické stability materiálu pro posouzení potenciálních aplikací za podmínek dynamického zatížení. Navzdory těmto omezením představuje studie první úspěšný pokus o kombinaci radiologických a mechanických vlastností v jednom materiálu, který napodobuje lidské plíce.
Datové soubory generované a/nebo analyzované během aktuální studie jsou k dispozici u příslušného autora na základě přiměřené žádosti. Experimenty i datové soubory jsou reprodukovatelné.
Song, G. a kol. Nové nanotechnologie a pokročilé materiály pro radioterapii rakoviny. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ a kol. Zpráva pracovní skupiny AAPM 76a o řízení respiračního pohybu v radiační onkologii. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. a Brock, KK Modelování rozhraní a materiálových nelinearit v lidských plicích. Fyzika a medicína a biologie 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. a kol. Model nádoru podobného karcinomu plic vytvořený 3D biotiskem. 3. Biotechnologie. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. a kol. Modelování deformace plic: metoda kombinující techniky registrace deformovatelného obrazu a prostorově proměnný odhad Youngova modulu. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF a kol. Tuhost živé tkáně a její důsledky pro tkáňové inženýrství. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).