Vă mulțumim că ați vizitat nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați cea mai recentă versiune de browser (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). În plus, pentru a asigura asistență continuă, acest site nu va include stiluri sau JavaScript.
Mișcarea organelor și țesuturilor poate duce la erori în poziționarea razelor X în timpul radioterapiei. Prin urmare, sunt necesare materiale cu proprietăți mecanice și radiologice echivalente cu țesuturile pentru a imita mișcarea organelor în vederea optimizării radioterapiei. Cu toate acestea, dezvoltarea unor astfel de materiale rămâne o provocare. Hidrogelurile de alginat au proprietăți similare cu cele ale matricei extracelulare, ceea ce le face promițătoare ca materiale echivalente cu țesuturi. În acest studiu, spume de hidrogel de alginat cu proprietăți mecanice și radiologice dorite au fost sintetizate prin eliberare in situ de Ca2+. Raportul aer-volum a fost atent controlat pentru a obține spume de hidrogel cu proprietăți mecanice și radiologice definite. Macromorfologia și micromorfologia materialelor a fost caracterizată și comportamentul spumelor de hidrogel sub compresie a fost studiat. Proprietățile radiologice au fost estimate teoretic și verificate experimental folosind tomografia computerizată. Acest studiu aruncă lumină asupra dezvoltării viitoare a materialelor echivalente cu țesuturi care pot fi utilizate pentru optimizarea dozei de radiații și controlul calității în timpul radioterapiei.
Radioterapia este un tratament comun pentru cancer1. Mișcarea organelor și țesuturilor duce adesea la erori în poziționarea razelor X în timpul radioterapiei2, ceea ce poate duce la subtratarea tumorii și la supraexpunerea celulelor sănătoase din jur la radiații inutile. Capacitatea de a prezice mișcarea organelor și țesuturilor este esențială pentru minimizarea erorilor de localizare a tumorii. Acest studiu s-a concentrat pe plămâni, deoarece aceștia suferă deformări și mișcări semnificative atunci când pacienții respiră în timpul radioterapiei. Diverse modele cu elemente finite au fost dezvoltate și aplicate pentru a simula mișcarea plămânilor umani3,4,5. Cu toate acestea, organele și țesuturile umane au geometrii complexe și sunt foarte dependente de pacient. Prin urmare, materialele cu proprietăți echivalente cu țesuturile sunt foarte utile pentru dezvoltarea de modele fizice pentru validarea modelelor teoretice, pentru a facilita îmbunătățirea tratamentului medical și în scopuri educaționale medicale.
Dezvoltarea materialelor care imită țesuturile moi pentru a obține geometrii structurale externe și interne complexe a atras multă atenție deoarece inconsistențele lor mecanice inerente pot duce la defecțiuni în aplicațiile țintă6,7. Modelarea biomecanicii complexe a țesutului pulmonar, care combină moliciunea extremă, elasticitatea și porozitatea structurală, reprezintă o provocare semnificativă în dezvoltarea de modele care reproduc cu acuratețe plămânul uman. Integrarea și potrivirea proprietăților mecanice și radiologice sunt esențiale pentru performanța eficientă a modelelor pulmonare în intervențiile terapeutice. Fabricația aditivă s-a dovedit a fi eficientă în dezvoltarea de modele specifice pacientului, permițând prototiparea rapidă a unor designuri complexe. Shin și colab.8 au dezvoltat un model pulmonar reproductibil, deformabil, cu căi respiratorii imprimate 3D. Haselaar și colab.9 au dezvoltat un fantom foarte similar cu pacienții reali pentru evaluarea calității imaginii și metodele de verificare a poziției pentru radioterapie. Hong și colab.10 au dezvoltat un model CT toracic folosind imprimarea 3D și tehnologia de turnare a siliconului pentru a reproduce intensitatea CT a diferitelor leziuni pulmonare pentru a evalua acuratețea cuantificării. Totuși, aceste prototipuri sunt adesea fabricate din materiale ale căror proprietăți eficiente sunt foarte diferite de cele ale țesutului pulmonar11.
În prezent, majoritatea fantomelor pulmonare sunt fabricate din silicon sau spumă poliuretanică, care nu corespund proprietăților mecanice și radiologice ale parenchimului pulmonar real.12,13 Hidrogelurile de alginat sunt biocompatibile și au fost utilizate pe scară largă în ingineria tisulară datorită proprietăților lor mecanice reglabile.14 Cu toate acestea, reproducerea consistenței ultra-moi, asemănătoare spumei, necesară pentru o fantomă pulmonară care imită cu exactitate elasticitatea și structura de umplere a țesutului pulmonar rămâne o provocare experimentală.
În acest studiu, s-a presupus că țesutul pulmonar este un material elastic omogen. Densitatea țesutului pulmonar uman (\(\:\rho\:\)) este raportată a fi de 1,06 g/cm3, iar densitatea plămânului umflat este de 0,26 g/cm315. O gamă largă de valori ale modulului Young (MY) al țesutului pulmonar a fost obținută folosind diferite metode experimentale. Lai-Fook și colab. 16 au măsurat YM-ul plămânului uman cu umflare uniformă la 0,42–6,72 kPa. Goss și colab. 17 au utilizat elastografia prin rezonanță magnetică și au raportat un YM de 2,17 kPa. Liu și colab. 18 au raportat un YM măsurat direct de 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi și colab. 19 au estimat YM la 0,1–2,7 kPa pe baza datelor CT 4D obținute de la pacienți selectați.
Pentru proprietățile radiologice ale plămânului, se utilizează mai mulți parametri pentru a descrie comportamentul de interacțiune al țesutului pulmonar cu razele X, inclusiv compoziția elementară, densitatea electronică (\(\:{\rho\:}_{e}\)), numărul atomic efectiv (\(\:{Z}_{eff}\)), energia medie de excitație (\(\:I\)), coeficientul de atenuare a masei (\(\:\mu\:/\rho\:\)) și unitatea Hounsfield (HU), care este direct legată de \(\:\mu\:/\rho\:\).
Densitatea electronică \(\:{\rho\:}_{e}\) este definită ca numărul de electroni pe unitatea de volum și se calculează după cum urmează:
unde \(\:\rho\:\) este densitatea materialului în g/cm3, \(\:{N}_{A}\) este constanta lui Avogadro, \(\:{w}_{i}\) este fracția de masă, \(\:{Z}_{i}\) este numărul atomic și \(\:{A}_{i}\) este greutatea atomică a elementului i.
Numărul atomic este direct legat de natura interacțiunii radiațiilor din interiorul materialului. Pentru compușii și amestecurile care conțin mai multe elemente (de exemplu, țesături), trebuie calculat numărul atomic efectiv \(\:{Z}_{eff}\). Formula a fost propusă de Murthy și colab. 20:
Energia medie de excitație _(\:I\)_ descrie cât de ușor absoarbe materialul țintă energia cinetică a particulelor care penetrează. Descrie doar proprietățile materialului țintă și nu are nicio legătură cu proprietățile particulelor. _(\:I\)_ poate fi calculată aplicând regula de aditivitate a lui Bragg:
Coeficientul de atenuare a masei \(\:\mu\:/\rho\:\) descrie penetrarea și eliberarea de energie a fotonilor în materialul țintă. Acesta poate fi calculat folosind următoarea formulă:
Unde \(\:x\) este grosimea materialului, \(\:{I}_{0}\) este intensitatea luminii incidente, iar \(\:I\) este intensitatea fotonilor după penetrarea în material. Datele \(\:\mu\:/\rho\:\) pot fi obținute direct din baza de date de referință a standardelor NIST 12621. Valorile \(\:\mu\:/\rho\:\) pentru amestecuri și compuși pot fi derivate folosind regula aditivității după cum urmează:
HU este o unitate de măsură adimensională standardizată a radiodensității în interpretarea datelor de tomografie computerizată (CT), care este transformată liniar din coeficientul de atenuare măsurat µ. Se definește ca:
unde \(\:{\mu\:}_{apă}\) este coeficientul de atenuare al apei, iar \(\:{\mu\:}_{aer}\) este coeficientul de atenuare al aerului. Prin urmare, din formula (6) vedem că valoarea HU a apei este 0, iar valoarea HU a aerului este -1000. Valoarea HU pentru plămânii umani variază de la -600 la -70022.
Au fost dezvoltate mai multe materiale echivalente tisulare. Griffith și colab.23 au dezvoltat un model echivalent tisular al trunchiului uman, realizat din poliuretan (PU), la care s-au adăugat diferite concentrații de carbonat de calciu (CaCO3) pentru a simula coeficienții de atenuare liniară ai diferitelor organe umane, inclusiv plămânul uman, iar modelul a fost numit Griffith. Taylor24 a prezentat un al doilea model echivalent tisular pulmonar, dezvoltat de Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL), numit LLLL1. Traub și colab.25 au dezvoltat un nou înlocuitor de țesut pulmonar folosind Foamex XRS-272, conținând 5,25% CaCO3 ca agent de îmbunătățire a performanței, care a fost numit ALT2. Tabelele 1 și 2 prezintă o comparație între \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) și coeficienții de atenuare a masei pentru plămânul uman (ICRU-44) și modelele echivalente tisulare de mai sus.
În ciuda proprietăților radiologice excelente obținute, aproape toate materialele fantomă sunt fabricate din spumă de polistiren, ceea ce înseamnă că proprietățile mecanice ale acestor materiale nu se pot apropia de cele ale plămânilor umani. Modulul Young (YM) al spumei poliuretanice este de aproximativ 500 kPa, ceea ce este departe de a fi ideal în comparație cu plămânii umani normali (aproximativ 5-10 kPa). Prin urmare, este necesară dezvoltarea unui nou material care să poată îndeplini caracteristicile mecanice și radiologice ale plămânilor umani reali.
Hidrogelurile sunt utilizate pe scară largă în ingineria tisulară. Structura și proprietățile lor sunt similare cu matricea extracelulară (MEC) și sunt ușor de ajustat. În acest studiu, alginatul de sodiu pur a fost ales ca biomaterial pentru prepararea spumelor. Hidrogelurile de alginat sunt biocompatibile și utilizate pe scară largă în ingineria tisulară datorită proprietăților lor mecanice ajustabile. Compoziția elementară a alginatului de sodiu (C6H7NaO6)n și prezența Ca2+ permit ajustarea proprietăților sale radiologice după cum este necesar. Această combinație de proprietăți mecanice și radiologice ajustabile face ca hidrogelurile de alginat să fie ideale pentru studiul nostru. Desigur, hidrogelurile de alginat au și limitări, în special în ceea ce privește stabilitatea pe termen lung în timpul ciclurilor respiratorii simulate. Prin urmare, sunt necesare și se așteaptă îmbunătățiri suplimentare în studiile viitoare pentru a aborda aceste limitări.
În această lucrare, am dezvoltat un material spumant de hidrogel de alginat cu valori Rho controlabile, elasticitate și proprietăți radiologice similare cu cele ale țesutului pulmonar uman. Acest studiu va oferi o soluție generală pentru fabricarea de fantome asemănătoare țesuturilor, cu proprietăți elastice și radiologice reglabile. Proprietățile materialului pot fi ușor adaptate la orice țesut și organ uman.
Raportul țintă aer-volum al spumei de hidrogel a fost calculat pe baza intervalului HU al plămânilor umani (-600 până la -700). S-a presupus că spuma era un amestec simplu de aer și hidrogel de alginat sintetic. Folosind o regulă simplă de adunare a elementelor individuale \(\:\mu\:/\rho\:\), s-au putut calcula fracția volumică de aer și raportul volumic al hidrogelului de alginat sintetizat.
Spumele de hidrogel de alginat au fost preparate folosind alginat de sodiu (cod piesă W201502), CaCO3 (cod piesă 795445, greutate moleculară: 100,09) și GDL (cod piesă G4750, greutate moleculară: 178,14) achiziționate de la Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% lauril eter sulfat de sodiu (SLES 70) a fost achiziționat de la Renowned Trading LLC. În procesul de preparare a spumei s-a utilizat apă deionizată. Alginatul de sodiu a fost dizolvat în apă deionizată la temperatura camerei, sub agitare constantă (600 rpm), până când s-a obținut o soluție omogenă, translucidă, galbenă. CaCO3 în combinație cu GDL a fost utilizat ca sursă de Ca2+ pentru a iniția gelificarea. SLES 70 a fost utilizat ca surfactant pentru a forma o structură poroasă în interiorul hidrogelului. Concentrația de alginat a fost menținută la 5%, iar raportul molar Ca2+:-COOH a fost menținut la 0,18. Raportul molar CaCO3:GDL a fost, de asemenea, menținut la 0,5 în timpul preparării spumei pentru a menține un pH neutru. Valoarea este de 26. La toate probele s-a adăugat 2% în volum de SLES 70. S-a folosit un pahar cu capac pentru a controla raportul de amestecare dintre soluție și aer. Volumul total al paharului a fost de 140 ml. Pe baza rezultatelor calculului teoretic, s-au adăugat în pahar diferite volume din amestec (50 ml, 100 ml, 110 ml) pentru a se amesteca cu aer. Proba care conținea 50 ml din amestec a fost proiectată să se amestece cu suficient aer, în timp ce raportul volumului de aer din celelalte două probe a fost controlat. Mai întâi, SLES 70 a fost adăugat la soluția de alginat și agitat cu un agitator electric până la omogenizare completă. Apoi, suspensia de CaCO3 a fost adăugată la amestec și agitată continuu până când amestecul a fost complet omogenizat, când culoarea sa s-a schimbat în alb. În final, soluția de GDL a fost adăugată la amestec pentru a iniția gelificarea, iar agitarea mecanică a fost menținută pe tot parcursul procesului. Pentru proba care conținea 50 ml de amestec, agitarea mecanică a fost oprită când volumul amestecului a încetat să se modifice. Pentru probele care conțineau 100 ml și 110 ml de amestec, agitarea mecanică a fost oprită când amestecul a umplut paharul. De asemenea, am încercat să preparăm spume de hidrogel cu un volum cuprins între 50 ml și 100 ml. Cu toate acestea, s-a observat instabilitate structurală a spumei, deoarece aceasta a fluctuat între starea de amestecare completă a aerului și starea de control al volumului de aer, rezultând un control inconsistent al volumului. Această instabilitate a introdus incertitudine în calcule și, prin urmare, acest interval de volum nu a fost inclus în acest studiu.
Densitatea \(\:\rho\:\) a unei spume de hidrogel se calculează prin măsurarea masei \(\:\m\) și a volumului \(\:\V\) unei probe de spumă de hidrogel.
Imaginile microscopice optice ale spumelor de hidrogel au fost obținute folosind o cameră Zeiss Axio Observer A1. Software-ul ImageJ a fost utilizat pentru a calcula numărul și distribuția dimensiunilor porilor dintr-o probă într-o anumită zonă pe baza imaginilor obținute. Se presupune că forma porilor este circulară.
Pentru a studia proprietățile mecanice ale spumelor de hidrogel de alginat, s-au efectuat teste de compresie uniaxială utilizând o mașină TESTRESOURCES seria 100. Probele au fost tăiate în blocuri dreptunghiulare, iar dimensiunile blocului au fost măsurate pentru a calcula tensiunile și deformațiile. Viteza capului transversal a fost setată la 10 mm/min. Au fost testate trei probe pentru fiecare probă, iar media și deviația standard au fost calculate pe baza rezultatelor. Acest studiu s-a concentrat pe proprietățile mecanice de compresiune ale spumelor de hidrogel de alginat, deoarece țesutul pulmonar este supus forțelor de compresiune într-o anumită etapă a ciclului respirator. Extensibilitatea este, desigur, crucială, în special pentru a reflecta comportamentul dinamic complet al țesutului pulmonar, iar acest lucru va fi investigat în studii viitoare.
Probele de spumă hidrogel preparate au fost scanate pe un scaner CT Siemens SOMATOM Drive cu două canale. Parametrii de scanare au fost setați după cum urmează: 40 mAs, 120 kVp și grosimea secțiunii de 1 mm. Fișierele DICOM rezultate au fost analizate utilizând software-ul MicroDicom DICOM Viewer pentru a analiza valorile HU a 5 secțiuni transversale ale fiecărei probe. Valorile HU obținute prin CT au fost comparate cu calcule teoretice bazate pe datele de densitate ale probelor.
Scopul acestui studiu este de a revoluționa fabricarea modelelor individuale de organe și a țesuturilor biologice artificiale prin ingineria materialelor moi. Dezvoltarea de materiale cu proprietăți mecanice și radiologice care să corespundă mecanicii de funcționare a plămânilor umani este importantă pentru aplicații specifice, cum ar fi îmbunătățirea pregătirii medicale, planificarea chirurgicală și planificarea radioterapiei. În Figura 1A, am reprezentat grafic discrepanța dintre proprietățile mecanice și radiologice ale materialelor moi utilizate prezumtiv pentru fabricarea modelelor pulmonare umane. Până în prezent, au fost dezvoltate materiale care prezintă proprietățile radiologice dorite, dar proprietățile lor mecanice nu îndeplinesc cerințele dorite. Spuma poliuretanică și cauciucul sunt cele mai utilizate materiale pentru fabricarea modelelor pulmonare umane deformabile. Proprietățile mecanice ale spumei poliuretanice (modulul lui Young, YM) sunt de obicei de 10 până la 100 de ori mai mari decât cele ale țesutului pulmonar uman normal. Materialele care prezintă atât proprietățile mecanice, cât și cele radiologice dorite nu sunt încă cunoscute.
(A) Reprezentare schematică a proprietăților diferitelor materiale moi și comparație cu plămânul uman în ceea ce privește densitatea, modulul lui Young și proprietățile radiologice (în HU). (B) Diagrama de difracție cu raze X a hidrogelului de alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) cu o concentrație de 5% și un raport molar Ca2+:-COOH de 0,18. (C) Intervalul raporturilor volumetrice de aer în spumele de hidrogel. (D) Reprezentare schematică a spumelor de hidrogel de alginat cu diferite raporturi volumetrice de aer.
Compoziția elementară a hidrogelurilor de alginat cu o concentrație de 5% și un raport molar Ca2+:-COOH de 0,18 a fost calculată, iar rezultatele sunt prezentate în Tabelul 3. Conform regulii de adunare din formula anterioară (5), coeficientul de atenuare a masei al hidrogelului de alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) se obține așa cum se arată în Figura 1B.
Valorile \(\:\mu\:/\rho\:\) pentru aer și apă au fost obținute direct din baza de date de referință a standardelor NIST 12612. Astfel, Figura 1C prezintă raporturile volumetrice de aer calculate în spumele de hidrogel cu valori echivalente HU între -600 și -700 pentru plămânul uman. Raportul volumetric de aer calculat teoretic este stabil între 60-70% în intervalul de energie de la 1 × 10−3 la 2 × 10¹ MeV, indicând un potențial bun pentru aplicarea spumei de hidrogel în procesele de fabricație ulterioare.
Figura 1D prezintă proba de spumă de hidrogel de alginat preparată. Toate probele au fost tăiate în cuburi cu o lungime a muchiei de 12,7 mm. Rezultatele au arătat că s-a format o spumă de hidrogel omogenă, stabilă tridimensional. Indiferent de raportul volumului de aer, nu s-au observat diferențe semnificative în aspectul spumelor de hidrogel. Natura autosusținută a spumei de hidrogel sugerează că rețeaua formată în interiorul hidrogelului este suficient de puternică pentru a susține greutatea spumei în sine. În afară de o cantitate mică de scurgeri de apă din spumă, spuma a demonstrat, de asemenea, stabilitate tranzitorie timp de câteva săptămâni.
Prin măsurarea masei și volumului probei de spumă, s-a calculat densitatea spumei hidrogel preparate \(\:\rho\:\), iar rezultatele sunt prezentate în Tabelul 4. Rezultatele arată dependența \(\:\rho\:\) de raportul volum-aer. Când se amestecă suficient aer cu 50 ml de probă, densitatea devine cea mai mică și este de 0,482 g/cm3. Pe măsură ce cantitatea de aer amestecat scade, densitatea crește la 0,685 g/cm3. Valoarea maximă p între grupurile de 50 ml, 100 ml și 110 ml a fost 0,004 < 0,05, indicând semnificația statistică a rezultatelor.
Valoarea teoretică \(\:\rho\:\) este calculată și folosind raportul volumului de aer controlat. Rezultatele măsurate arată că \(\:\rho\:\) este cu 0,1 g/cm³ mai mică decât valoarea teoretică. Această diferență poate fi explicată prin tensiunea internă generată în hidrogel în timpul procesului de gelificare, care provoacă umflare și, prin urmare, duce la o scădere a \(\:\rho\:\). Acest lucru a fost confirmat în continuare prin observarea unor goluri în interiorul spumei de hidrogel în imaginile CT prezentate în Figura 2 (A, B și C).
Imagini de microscopie optică ale spumelor de hidrogel cu diferite conținuturi de volum de aer (A) 50, (B) 100 și (C) 110. Numărul de celule și distribuția dimensiunilor porilor în probele de spumă de hidrogel de alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figura 3 (A, B, C) prezintă imagini obținute prin microscop optic ale probelor de spumă hidrogel cu diferite rapoarte de volum de aer. Rezultatele demonstrează structura optică a spumei hidrogel, arătând clar imaginile porilor cu diametre diferite. Distribuția numărului de pori și a diametrului a fost calculată folosind ImageJ. Au fost realizate șase imagini pentru fiecare probă, fiecare imagine având o dimensiune de 1125,27 μm × 843,96 μm, iar suprafața totală analizată pentru fiecare probă a fost de 5,7 mm².
(A) Comportamentul la compresiune stres-deformare al spumelor de hidrogel de alginat cu diferite rapoarte volumetrice de aer. (B) Ajustare exponențială. (C) Compresia E0 a spumelor de hidrogel cu diferite rapoarte volumetrice de aer. (D) Tensiunea și deformarea maximă la compresiune a spumelor de hidrogel de alginat cu diferite rapoarte volumetrice de aer.
Figura 3 (D, E, F) arată că distribuția dimensiunii porilor este relativ uniformă, variind de la zeci de micrometri până la aproximativ 500 de micrometri. Dimensiunea porilor este practic uniformă și scade ușor pe măsură ce volumul de aer scade. Conform datelor testate, dimensiunea medie a porilor probei de 50 ml este de 192,16 μm, mediana este de 184,51 μm, iar numărul de pori pe unitatea de suprafață este de 103; dimensiunea medie a porilor probei de 100 ml este de 156,62 μm, mediana este de 151,07 μm, iar numărul de pori pe unitatea de suprafață este de 109; valorile corespunzătoare probei de 110 ml sunt de 163,07 μm, 150,29 μm și respectiv 115. Datele arată că porii mai mari au o influență mai mare asupra rezultatelor statistice ale dimensiunii medii a porilor, iar dimensiunea mediană a porilor poate reflecta mai bine tendința de modificare a dimensiunii porilor. Pe măsură ce volumul probei crește de la 50 ml la 110 ml, crește și numărul de pori. Combinând rezultatele statistice ale diametrului median al porilor și ale numărului de pori, se poate concluziona că odată cu creșterea volumului, în interiorul probei se formează mai mulți pori de dimensiuni mai mici.
Datele testelor mecanice sunt prezentate în Figurile 4A și 4D. Figura 4A prezintă comportamentul la compresiune stres-deformare al spumelor hidrogel preparate cu diferite rapoarte volum-aer. Rezultatele arată că toate probele au un comportament neliniar similar stres-deformare. Pentru fiecare probă, stresul crește mai rapid odată cu creșterea deformării. O curbă exponențială a fost ajustată la comportamentul la compresiune stres-deformare al spumei hidrogel. Figura 4B prezintă rezultatele după aplicarea funcției exponențiale ca model aproximativ la spuma hidrogel.
Pentru spumele de hidrogel cu diferite rapoarte volumetrice de aer, a fost studiat și modulul lor de compresiune (E0). Similar analizei hidrogelurilor, modulul de compresiune Young a fost investigat în intervalul de deformare inițială de 20%. Rezultatele testelor de compresiune sunt prezentate în Figura 4C. Rezultatele din Figura 4C arată că, pe măsură ce raportul volumului de aer scade de la proba 50 la proba 110, modulul de compresiune Young E0 al spumei de hidrogel de alginat crește de la 10,86 kPa la 18 kPa.
În mod similar, au fost obținute curbele complete tensiune-deformare ale spumelor de hidrogel, precum și valorile maxime ale tensiunii și deformației la compresiune. Figura 4D prezintă tensiunea și deformarea maximă la compresiune ale spumelor de hidrogel de alginat. Fiecare punct de date reprezintă media a trei rezultate ale testelor. Rezultatele arată că tensiunea maximă la compresiune crește de la 9,84 kPa la 17,58 kPa odată cu scăderea conținutului de gaz. Deformarea maximă rămâne stabilă la aproximativ 38%.
Figura 2 (A, B și C) prezintă imaginile CT ale spumelor de hidrogel cu diferite rapoarte de volum de aer corespunzătoare probelor 50, 100 și respectiv 110. Imaginile arată că spuma de hidrogel formată este aproape omogenă. Un număr mic de goluri au fost observate în probele 100 și 110. Formarea acestor goluri se poate datora tensiunii interne generate în hidrogel în timpul procesului de gelificare. Am calculat valorile HU pentru 5 secțiuni transversale ale fiecărei probe și le-am enumerat în Tabelul 5 împreună cu rezultatele calculelor teoretice corespunzătoare.
Tabelul 5 arată că probele cu diferite raporturi volumetrice de aer au obținut valori HU diferite. Valoarea p maximă între grupurile de 50 ml, 100 ml și 110 ml a fost 0,004 < 0,05, indicând semnificația statistică a rezultatelor. Dintre cele trei probe testate, proba cu 50 ml de amestec a avut proprietățile radiologice cele mai apropiate de cele ale plămânilor umani. Ultima coloană a Tabelului 5 reprezintă rezultatul obținut prin calcul teoretic pe baza valorii spumei măsurate \(\:\rho\:\). Prin compararea datelor măsurate cu rezultatele teoretice, se poate constata că valorile HU obținute prin scanare CT sunt în general apropiate de rezultatele teoretice, ceea ce, la rândul său, confirmă rezultatele calculului raportului volumetric de aer din Figura 1C.
Obiectivul principal al acestui studiu este de a crea un material cu proprietăți mecanice și radiologice comparabile cu cele ale plămânilor umani. Acest obiectiv a fost atins prin dezvoltarea unui material pe bază de hidrogel cu proprietăți mecanice și radiologice echivalente în țesuturi, cât mai apropiate posibil de cele ale plămânilor umani. Ghidate de calcule teoretice, s-au preparat spume de hidrogel cu diferite raporturi de volum de aer prin amestecarea mecanică a soluției de alginat de sodiu, CaCO3, GDL și SLES 70. Analiza morfologică a arătat că s-a format o spumă de hidrogel omogenă, tridimensională, stabilă. Prin modificarea raportului de volum de aer, densitatea și porozitatea spumei pot fi variate după bunul plac. Odată cu creșterea conținutului de volum de aer, dimensiunea porilor scade ușor, iar numărul de pori crește. Au fost efectuate teste de compresie pentru a analiza proprietățile mecanice ale spumelor de hidrogel de alginat. Rezultatele au arătat că modulul de compresie (E0) obținut din testele de compresie se află în intervalul ideal pentru plămânii umani. E0 crește odată cu scăderea raportului de volum de aer. Valorile proprietăților radiologice (HU) ale probelor preparate au fost obținute pe baza datelor CT ale probelor și comparate cu rezultatele calculelor teoretice. Rezultatele au fost favorabile. Valoarea măsurată este, de asemenea, apropiată de valoarea HU a plămânilor umani. Rezultatele arată că este posibil să se creeze spume hidrogel care imită țesuturile, cu o combinație ideală de proprietăți mecanice și radiologice care imită proprietățile plămânilor umani.
În ciuda rezultatelor promițătoare, metodele actuale de fabricație trebuie îmbunătățite pentru a controla mai bine raportul volumului de aer și porozitatea, astfel încât să corespundă predicțiilor din calculele teoretice și din plămânii umani reali, atât la scară globală, cât și locală. Studiul actual se limitează, de asemenea, la testarea mecanicii compresiei, ceea ce limitează potențiala aplicare a fantomei la faza de compresie a ciclului respirator. Cercetările viitoare ar beneficia de pe urma investigării testelor de tracțiune, precum și a stabilității mecanice generale a materialului, pentru a evalua potențialele aplicații în condiții de încărcare dinamică. În ciuda acestor limitări, studiul marchează prima încercare reușită de a combina proprietățile radiologice și mecanice într-un singur material care imită plămânul uman.
Seturile de date generate și/sau analizate în timpul studiului actual sunt disponibile de la autorul corespondent la cerere rezonabilă. Atât experimentele, cât și seturile de date sunt reproductibile.
Song, G. și colab. Nanotehnologii noi și materiale avansate pentru radioterapia cancerului. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ și colab. Raportul Grupului de lucru AAPM 76a privind managementul mișcării respiratorii în oncologia radioterapeutică. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. și Brock, KK. Modelarea interfeței și a neliniarităților materiale în plămânul uman. Fizică, Medicină și Biologie 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. și colab. Model de cancer pulmonar de tip tumoră generat prin bioimprimare 3D. 3. Biotehnologie. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. și colab. Modelarea deformării pulmonare: o metodă care combină tehnici de înregistrare a imaginilor deformabile și estimarea modulului lui Young cu variație spațială. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF și colab. Rigiditatea țesutului viu și implicațiile acesteia pentru ingineria tisulară. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).