Salamat sa pagbisita sa nature.com. An bersyon kan browser na saimong ginagamit igwa nin limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamarahay na eksperyensya, irinerekomendar niamo an paggamit kan pinakabagong bersyon kan browser (o i-off an compatibility mode sa Internet Explorer). Dugang pa, tanganing maseguro an padagos na suporta, an site na ini dai maglalaog nin mga estilo o JavaScript.
An paghiro kan mga organo asin tisyu pwedeng magresulta sa mga sala sa pagposisyon kan mga X-ray sa panahon nin radiotherapy. Kaya, an mga materyales na may katumbas na mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad sa tisyu kaipuhan tanganing arogon an hiro kan organo para sa pag-optimize kan radiotherapy. Alagad, an paggibo kan siring na mga materyales nagdadanay na sarong angat. An mga alginate hydrogel igwa nin mga propyedad na kapareho kan mga ekstraselular na matris, na ginigibo sindang promising bilang mga materyales na katumbas kan tisyu. Sa pag-aadal na ini, an mga alginate hydrogel foam na may mga minamawot na mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad pinag-synthesize sa paagi nin in situ Ca2+ release. An air-to-volume ratio maingat na pigkontrol tanganing makakua nin mga hydrogel foam na may mga tinawan nin kahulugan na mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad. An makro- asin mikromorpolohiya kan mga materyales pig-karakterisar, asin an gawi-gawi kan mga hydrogel foam sa irarom nin kompresyon pinag-adalan. An mga propyedad sa radyolohiya pigtantiya sa teoretikal asin pig-verify sa eksperimento gamit an computed tomography. An pag-aadal na ini nagtatao nin liwanag sa maabot na pag-uswag kan mga materyales na katumbas kan tisyu na pwedeng gamiton para sa pag-optimize kan dosis nin radyasyon asin pagkontrol kan kalidad sa panahon nin radiotherapy.
An radiation therapy sarong komun na pagbolong para sa kanser1. An paghiro kan mga organo asin tisyu parateng nagbubunga nin mga sala sa pagposisyon kan mga X-ray sa panahon nin radiation therapy2, na puedeng magresulta sa dai pagbolong kan tumor asin sobrang pagkalantad kan nakapalibot na mga marahay na selula sa dai kinakaipuhan na radyasyon. An kakayahan na mahulaan an hiro kan mga organo asin tisyu kritikal sa pagbawas kan mga sala sa lokalisasyon kan tumor. An pag-aadal na ini nakasentro sa mga pulmon, nin huli ta sinda nag-aagi nin mga mahalagang depormasyon asin hiro kun an mga pasyente naghahangos sa panahon nin radiation therapy. Manlaen-laen na mga modelo nin finite element an pigdevelop asin pig-aplikar tanganing i-simulate an hiro kan mga pulmon nin tawo3,4,5. Alagad, an mga organo asin tisyu nin tawo igwa nin mga komplikadong heometriya asin nakadepende nanggad sa pasyente. Kaya, an mga materyales na may mga propyedad na katumbas kan tisyu kapaki-pakinabang na marhay sa paggibo nin mga pisikal na modelo tanganing ma-validate an mga teoretikal na modelo, mapadali an mas marahay na pagbolong, asin para sa mga katuyuhan nin edukasyon medikal.
An paggibo nin mga materyales na nag-aarog sa malumoy na tisyu tanganing makamit an komplikadong panluwas asin panlaog na mga heometriya nin estruktura nakaakit nin dakulang atensyon huli ta an saindang mga inherent na mekanikal na dai pagkakapareho puedeng magresulta sa mga pagkabigo sa mga target na aplikasyon6,7. An pagmodelo kan komplikadong biomekanika kan tisyu kan pulmon, na pinagsasaro an labi-labing kalumoy, pagkamapag-ayon, asin pagkaporosidad kan estruktura, nagtatao nin sarong mahalagang angat sa paggibo nin mga modelo na eksaktong nagrereprodusir kan pulmon nin tawo. An pag-integrar asin pagtugma kan mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad kritikal para sa epektibong performance kan mga modelo kan pulmon sa mga interbensyon sa pagbolong. An aditibong paggibo napatunayan na epektibo sa paggibo nin mga modelo na espesipiko sa pasyente, na nagpapangyari nin marikas na paggibo nin mga komplikadong disenyo. Shin et al. 8 nagmukna nin sarong reproducible, deformable na modelo nin pulmon na may 3D-printed na mga agihan nin hangin. Haselaar asin iba pa. 9 nagmukna nin sarong phantom na kapareho nanggad kan mga tunay na pasyente para sa pagtasa kan kalidad kan imahe asin mga paagi nin pag-verify kan posisyon para sa radiotherapy. Si Hong et al10 nagmukna nin sarong modelo nin CT sa daghan gamit an 3D printing asin teknolohiya nin silicone casting tanganing maiprodusir an intensidad kan CT kan manlaen-laen na mga lesyon sa pulmon tanganing ma-ebalwar an pagkaeksakto kan pagkwantipika. Alagad, an mga prototype na ini parati gibo sa mga materyales na an epektibong mga propyedad laen nanggad sa mga tisyu kan pulmon11.
Sa presente, an kadaklan na mga phantom sa pulmon gibo sa silicone o polyurethane foam, na dai nakakatugma sa mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad kan tunay na parenchyma kan pulmon.12,13 An mga alginate hydrogel biocompatible asin lakop nang ginagamit sa tissue engineering huli sa saindang mga tunable na mekanikal na propyedad.14 Alagad, an pagreprodusir kan ultra-soft na foam na pagkakapareho para sa sarong lung-like phantom na foam nangangaipo an eksaktong pag-arog sa pagkamapag-ayon asin pagpuno kan estruktura kan tisyu kan baga nagdadanay na sarong eksperimentong angat.
Sa pag-aadal na ini, pighona na an tisyu kan pulmon sarong homogenous na materyales na nababanat. An densidad kan tisyu kan pulmon nin tawo (\(\:\rho\:\)) ibinareta na 1.06 g/cm3, asin an densidad kan pinalaad na pulmon 0.26 g/cm315. An mahiwas na hanay kan mga halaga kan Young's modulus (MY) kan tisyu kan baga nakua gamit an manlaen-laen na eksperimentong paagi. Lai-Fook et al. 16 nagsukol kan YM kan pulmon nin tawo na may unipormeng inflation na 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 naggamit nin magnetic resonance elastography asin nagbareta nin YM na 2.17 kPa. Liu et al. 18 nagbareta nin direktang sinusukol na YM na 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi asin iba pa. 19 pigtatantya an YM na 0.1–2.7 kPa base sa datos kan 4D CT na nakua sa mga piniling pasyente.
Para sa mga radyolohikal na propyedad kan pulmon, nagkapirang mga parametro an ginagamit tanganing iladawan an interaksyon na gawi-gawi kan tisyu kan pulmon sa mga X-ray, kabali an elemental na komposisyon, densidad nin elektron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), epektibong numero nin atomo (\(\:{Z}_{eff}\)), an kahulugan kan enerhiya nin pagpukaw (\:\:\:\), koepisyente nin masa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) asin an yunit kan Hounsfield (HU), na direktang konektado sa \(\:\mu\:/\rho\:\).
An densidad nin elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) tinatawan nin kahulugan bilang an bilang kan mga elektron kada yunit nin volume asin kinakalkulo sa minasunod:
kun saen an \(\:\rho\:\) iyo an densidad kan materyal sa g/cm3, an \(\:{N}_{A}\) iyo an Avogadro constant, an \(\:{w}_{i}\) iyo an mass fraction, an \(\:{Z}_{i}\) iyo an numerong atomo, asin an \(\:{A}\{i}\) iyo an timbang kan a i-ikang elemento.
An numerong atomo direktang konektado sa naturalesa kan interaksiyon kan radyasyon sa laog kan materyal. Para sa mga compound asin pinaghalo na igwa nin nagkapirang elemento (halimbawa, mga tela), an epektibong numerong atomo na \(\:{Z}_{eff}\) dapat na karkulohon. An pormula pigproponer ni Murthy et al. 20:
An average na enerhiya nin pagpukaw na \(\:I\) naglaladawan kun gurano kadali na masupsop kan target na materyal an kinetikong enerhiya kan mga naglalaog na partikulo. Ini naglaladawan sana kan mga propyedad kan target na materyales asin mayo nin koneksyon sa mga propyedad kan mga partikulo. \(\:I\) pwedeng makalkulo sa paagi kan pag-aplikar kan Bragg's additivity rule:
An mass attenuation coefficient \(\:\mu\:/\rho\:\) naglaladawan kan paglaog asin pagluwas nin enerhiya kan mga photon sa target na materyal. Pwede ining makalkulo gamit an minasunod na pormula:
Kun saen an \(\:x\) iyo an kapal kan materyal, an \(\:{I}_{0}\) iyo an intensidad kan liwanag na nag-abot, asin an \(\:I\) iyo an intensidad kan photon pagkatapos na maglaog sa materyal. \(\:\mu\:/\rho\:\) na datos pwedeng makua nin direkta gikan sa NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\mu\:/\rho\:\) na mga halaga para sa mga pinaghalo asin mga compound pwedeng makua gamit an additivity rule arog kan minasunod:
An HU sarong standardized na daing dimensyon na yunit nin pagsukol kan radiodensity sa interpretasyon kan datos kan computed tomography (CT), na linear na pigbabago gikan sa sinusukol na attenuation coefficient \(\:\mu\:\). Ini tinatawan nin kahulugan bilang:
kun saen an \(\:{\mu\:}_{tubig}\) iyo an koepisyent nin pagpaluya kan tubig, asin an \(\:{\mu\:}_{aire}\) iyo an koepisyent nin pagpaluya kan aire. Kaya, gikan sa pormula (6) mahihiling ta na an HU na halaga kan tubig 0, asin an HU na halaga kan aire -1000. An halaga kan HU para sa mga pulmon nin tawo minapoon sa -600 sagkod -70022.
Nagkapirang materyales na katumbas nin tisyu an nadevelop. Griffith et al. 23 nagmukna nin sarong modelo nin katumbas na tisyu kan hawak nin tawo na gibo sa polyurethane (PU) na kun saen an manlaen-laen na konsentrasyon nin calcium carbonate (CaCO3) idinagdag tanganing i-simulate an linear attenuation coefficients kan manlaen-laen na organo nin tawo kabali an pulmon nin tawo, asin an modelo nginaranan na Griffith. Si Taylor24 nagpresentar nin ikaduwang modelo nin katumbas na tisyu kan pulmon na pigdevelop kan Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), na nginaranan LLLL1. Si Traub et al.25 nagmukna nin sarong bagong pansalida sa tisyu kan pulmon gamit an Foamex XRS-272 na igwa nin 5.25% CaCO3 bilang sarong parapauswag kan performance, na nginaranan na ALT2. An mga talaan 1 asin 2 nagpapahiling nin pagkumpara kan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) asin an mga koepisyent nin pagluya kan masa para sa baga nin tawo (ICRU-44) asin an mga modelo nin katumbas na tisyu sa itaas.
Sa ibong kan marahayon na mga propyedad sa radyolohiya na nakamtan, haros gabos na materyales na phantom gibo sa polystyrene foam, na nangangahulugan na an mga mekanikal na propyedad kan mga materyales na ini dai makakarani sa mga pulmon nin tawo. An Young's modulus (YM) kan polyurethane foam mga 500 kPa, na harayo sa ideyal kumpara sa normal na pulmon nin tawo (mga 5-10 kPa). Kaya, kaipuhan na maggibo nin sarong bagong materyal na makakaabot sa mga karakteristiko mekanikal asin radyolohikal kan tunay na pulmon nin tawo.
An mga hydrogel lakop na ginagamit sa inhenyeriya nin tisyu. An estruktura asin mga propyedad kaini kapareho kan extracellular matrix (ECM) asin madaling i-adjust. Sa pag-aadal na ini, an purong sodium alginate an pinili bilang biomaterial para sa pagpreparar nin mga foam. An mga alginate hydrogel biocompatible asin lakop na ginagamit sa tissue engineering huli sa saindang mga adjustable mechanical properties. An elemental na komposisyon kan sodium alginate (C6H7NaO6)n asin an presensya kan Ca2+ nagtutugot sa mga radiological properties kaini na ma-adjust kun kaipuhan. An kombinasyon na ini nin mga adjustable na mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad ginigibo an mga alginate hydrogel na perpekto para sa samong pag-aadal. Siyempre, an mga alginate hydrogel igwa man nin mga limitasyon, orog na sa mga termino nin halawig na estabilidad sa laog kan mga simulated respiratory cycles. Kaya, kaipuhan asin piglalaoman an dugang pang mga pagpapauswag sa mga pag-aadal sa maabot na panahon tanganing masimbagan an mga limitasyon na ini.
Sa trabahong ini, nagmukna kami nin sarong materyales na alginate hydrogel foam na may kontroladong mga halaga nin rho, pagkamapag-ayon, asin mga propyedad sa radyolohiya na kapareho kan mga tisyu kan pulmon nin tawo. An pag-aadal na ini matao nin sarong pankagabsan na solusyon para sa paggibo nin mga garo tisyu na mga phantom na may mga tunable na elastic asin radyological na mga propyedad. An mga propyedad kan materyales madaling i-adaptar sa arin man na tisyu asin organo nin tawo.
An target na ratio kan aire sa volume kan hydrogel foam kinarkulo base sa HU range kan pulmon nin tawo (-600 sagkod -700). Pighona na an foam sarong simpleng pinaghalo nin aire asin sintetikong alginate hydrogel. Gamit an simpleng susundon sa pagdagdag nin mga indibidwal na elemento \(\:\mu\:/\rho\:\), an volume fraction kan aire asin an volume ratio kan sintetikong alginate hydrogel pwedeng makalkulo.
An mga alginate hydrogel foam pigpreparar gamit an sodium alginate (Part No. W201502), CaCO3 (Part No. 795445, MW: 100.09), asin GDL (Part No. G4750, MW: 178.14) na binakal sa Sigma-Aldrich Company, MO St Louis. 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) binakal sa Renowned Trading LLC. An deionized water ginamit sa proseso nin pag-andam kan foam. An sodium alginate tinunaw sa deionized na tubig sa temperatura kan kwarto na may danay na pagpukaw (600 rpm) sagkod na makua an sarong homogenous na dilaw na translucent na solusyon. An CaCO3 na may kaibang GDL ginamit bilang sarong pinagkukuanan nin Ca2+ tanganing magpoon nin gelation. An SLES 70 ginamit bilang sarong surfactant tanganing makabilog nin sarong porous na estruktura sa laog kan hydrogel. An konsentrasyon kan alginate napagdanay sa 5% asin an Ca2+:-COOH molar ratio napagdanay sa 0.18. An CaCO3:GDL molar ratio pinagdanay man sa 0.5 sa panahon kan pagpreparar kan foam tanganing mamantenir an neutral na pH. An halaga 26. 2% sa volume kan SLES 70 an idinagdag sa gabos na sample. Sarong beaker na may takop an ginamit tanganing makontrol an ratio kan paghalo kan solusyon asin aire. An total na volume kan beaker 140 ml. Base sa mga resulta kan teoretikal na kalkulasyon, an manlaen-laen na volume kan pinaghalo (50 ml, 100 ml, 110 ml) idinagdag sa beaker tanganing ihalo sa aire. An sample na igwa nin 50 ml kan pinaghalo dinisenyo tanganing maghalo sa supisyenteng aire, mantang an ratio kan volume kan aire sa duwang ibang sample kontrolado. Enot, an SLES 70 idinagdag sa solusyon nin alginate asin pighalo gamit an sarong electric stirrer sagkod na lubos na magkahalo. Dangan, an CaCO3 suspension idinagdag sa pinaghalo asin padagos na pighalo sagkod na an pinaghalo lubos nang nahalo, kan an kolor kaini nagbago sa puti. Sa katapustapusi, an solusyon kan GDL idinagdag sa pinaghalo tanganing magpoon an pag-gelation, asin an mekanikal na pagpukaw napagdanay sa bilog na proseso. Para sa sample na igwa nin 50 ml kan pinaghalo, an mekanikal na pagpukaw pinondo kan an volume kan pinaghalo nagpondo sa pagbabago. Para sa mga sampol na igwa nin 100 ml asin 110 ml kan pinaghalo, an mekanikal na paghalo pinundo kan an pinaghalo napano an beaker. Nagprobar man kaming mag-andam nin mga hydrogel foam na may volume sa pag-oltanan nin 50 ml asin 100 ml. Alagad, an estruktural na pagkabakong estabilidad kan foam naobserbaran, ta ini nagbabago-bago sa pag-ultanan kan estado kan kumpletong paghalo kan aire asin an estado kan pagkontrol kan volume kan aire, na nagresulta sa bakong magkaparehong kontrol kan volume. An instabilidad na ini nagdara nin kadaihan nin kasegurohan sa mga kalkulasyon, asin kun kaya an volume range na ini dai kabali sa pag-aadal na ini.
An densidad \(\:\rho\:\) kan sarong hydrogel foam kinakalkulo sa paagi nin pagsukol kan masa \(\:m\) asin volume \(\:V\) kan sarong sample nin hydrogel foam.
An mga optical microscopic na imahe kan mga hydrogel foam nakua gamit an Zeiss Axio Observer A1 camera. An ImageJ software ginamit sa pagkwenta kan bilang asin distribusyon kan kadakulaan kan mga pores sa sarong sample sa sarong lugar base sa mga nakuang imahe. An porma kan labot pighuhuna na pabilog.
Tanganing pag-adalan an mga mekanikal na propyedad kan mga alginate hydrogel foam, an mga uniaxial compression test ginibo gamit an TESTRESOURCES 100 series machine. An mga sample pinutol sa mga rektanggulong bloke asin an mga dimensyon kan bloke sinukol tanganing makalkulo an mga stress asin strain. An rikas kan crosshead itinalaga sa 10 mm/min. Tolong sample an pigtestingan para sa lambang sample asin an mean asin standard deviation kinarkulo gikan sa mga resulta. An pag-aadal na ini nakasentro sa mga mekanikal na propyedad kan mga alginate hydrogel foam nin huli ta an tisyu kan pulmon napapasairarom sa mga pwersa nin pagkompres sa sarong yugto kan siklo nin paghangos. An pagpahiwas siyempre mahalagang marhay, orog na tanganing maipahiling an bilog na dinamikong gawi-gawi kan tisyu kan pulmon asin ini sisiyasaton sa mga pag-aadal sa maabot na panahon.
An mga inandam na sample kan hydrogel foam pig-scan sa sarong Siemens SOMATOM Drive dual-channel CT scanner. An mga parametro sa pag-scan itinalaga sa minasunod: 40 mAs, 120 kVp asin 1 mm na kapal kan hiwa. An mga nagresultang DICOM file pig-analisar gamit an MicroDicom DICOM Viewer software tanganing analisaron an mga halaga kan HU kan 5 cross-section kan lambang sample. An mga halaga kan HU na nakua sa paagi kan CT pigkumpara sa mga teoretikal na kalkulasyon base sa datos kan densidad kan mga sample.
An katuyuhan kan pag-aadal na ini iyo na mabago an paggibo nin mga indibidwal na modelo nin organo asin artipisyal na mga tisyu biyolohikal sa paagi nin pag-inhenyeriya nin mga malumoy na materyales. An paggibo nin mga materyales na may mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad na nakakatugma sa mga mekaniko kan pagtrabaho kan mga pulmon nin tawo importante para sa mga target na aplikasyon arog kan pagpapauswag kan pagsasanay sa medisina, pagplano sa operasyon, asin pagplano sa radiation therapy. Sa Figure 1A, pig-plot niamo an pagkakaiba sa pag-ultanan kan mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad kan mga malumoy na materyales na pigtutubodan na ginagamit sa paggibo nin mga modelo nin pulmon nin tawo. Sagkod ngonyan, an mga materyales nadevelop na nagpapahiling kan mga minamawot na mga propyedad sa radyolohiya, alagad an saindang mga mekanikal na propyedad dai nakakaabot sa mga minamawot na mga kahagadan. An polyurethane foam asin goma iyo an pinakalakop na ginagamit na materyales sa paggibo nin mga modelo nin pulmon nin tawo na pwedeng mabago. An mga mekanikal na propyedad kan polyurethane foam (Young's modulus, YM) tipikal na 10 sagkod 100 na beses na mas dakula kisa sa normal na tisyu kan pulmon nin tawo. An mga materyales na nagpapahiling kan parehong mga minamawot na mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad dai pa aram.
(A) Eskematikong representasyon kan mga propyedad kan manlaen-laen na malumoy na materyales asin pagkumpara sa pulmon nin tawo sa mga termino nin densidad, Young's modulus asin mga propyedad sa radyolohiya (sa HU). (B) X-ray diffraction pattern kan \(\:\mu\:/\rho\:\) alginate hydrogel na may konsentrasyon na 5% asin Ca2+:-COOH molar ratio na 0.18. (C) Range kan mga ratio kan volume kan aire sa mga hydrogel foam. (D) Eskematikong representasyon kan mga alginate hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire.
An elemental na komposisyon kan mga alginate hydrogel na may konsentrasyon na 5% asin sarong Ca2+:-COOH molar ratio na 0.18 kinarkulo, asin an mga resulta ipinapahiling sa Table 3. Susog sa susundon sa pagdagdag sa nakaaging pormula (5), an mass attenuation coefficient kan alginate hydrogel \(\:\:\:\:\:\:) siring sa ipinapahiling sa Figure\ 1B.
An mga halaga kan \(\:\mu\:/\rho\:\) para sa aire asin tubig direktang nakua gikan sa NIST 12612 standards reference database. Kaya, an Figure 1C nagpapahiling kan kinakalkulong mga ratio kan volume kan aire sa mga hydrogel foam na may mga halaga nin katumbas na HU sa pag-ultanan kan -600 asin -700 para sa pulmon nin tawo. An teoretikal na kinakalkulo na ratio kan volume kan aire estable sa laog nin 60–70% sa enerhiyang sakop poon 1 × 10−3 sagkod 2 × 101 MeV, na nagpapahiling nin marhay na potensyal para sa aplikasyon kan hydrogel foam sa mga proseso nin paggibo sa ibaba.
An Figure 1D nagpapahiling kan inandam na alginate hydrogel foam sample. An gabos na sample pinutol sa mga kubo na may laba na 12.7 mm. An mga resulta nagpahiling na sarong homogenous, three-dimensionally stable hydrogel foam an nabuo. Ano man an ratio kan volume kan aire, mayo nin naobserbaran na mga pagkakaiba sa itsura kan mga hydrogel foam. An self-sustaining na naturalesa kan hydrogel foam nagsusuherir na an network na nabuo sa laog kan hydrogel makusog na gayo tanganing suportaran an gabat kan foam mismo. Apwera sa dikit na pagtagas nin tubig hale sa foam, an foam nagpahiling man nin transient stability sa laog nin pirang semana.
Sa pagsukol kan masa asin volume kan sample kan bula, an densidad kan inandam na hydrogel foam \(\:\rho\:\) kinarkulo, asin an mga resulta ipinapahiling sa Table 4. An mga resulta nagpapahiling kan pagsarig kan \(\:\rho\:\) sa volume ratio kan aire. Kun an igong aire pinaghalo sa 50 ml kan sample, an densidad nagigin pinakahababa asin 0.482 g/cm3. Mantang nagbaba an kantidad kan pinaghalo na aire, an densidad nagdadakula sagkod sa 0.685 g/cm3. An pinakahalangkaw na p value sa pag-ultanan kan mga grupo nin 50 ml, 100 ml asin 110 ml iyo an 0.004 < 0.05, na nagpapahiling kan estadistikal na kahulugan kan mga resulta.
An teoretikal na \(\:\rho\:\) na halaga kinakalkulo man gamit an kontroladong ratio kan volume kan aire. An mga sinukol na resulta nagpapahiling na an \(\:\rho\:\) 0.1 g/cm3 na mas sadit kisa sa teoretikal na halaga. An pagkakaiba na ini maipaliwanag kan panlaog na stress na nagigibo sa hydrogel sa laog kan proseso nin gelation, na nagigin dahelan nin paghubag asin kun siring nagdadara sa pagbaba kan \(\:\rho\:\). Ini orog pang nakumpirma kan pag-obserbar kan nagkapirang mga gap sa laog kan hydrogel foam sa mga imahe kan CT na ipinapahiling sa Figure 2 (A, B asin C).
Mga imahe kan optical microscopy kan mga hydrogel foam na may manlaen-laen na laog kan volume kan aire (A) 50, (B) 100, asin (C) 110. Mga numero kan selula asin distribusyon kan kadakulaan kan pore sa mga sample kan alginate hydrogel foam (D) 50, (E) 100, (F) 110.
An Pigura 3 (A, B, C) nagpapahiling kan mga imahe kan optical microscope kan mga sample kan hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire. An mga resulta nagpapahiling kan optical na estruktura kan hydrogel foam, na malinaw na nagpapahiling kan mga imahe kan mga pores na may manlaen-laen na diametro. An distribusyon kan bilang kan mga labot asin diametro kinarkulo gamit an ImageJ. Anom na imahe an kinua para sa lambang sample, an lambang imahe igwa nin sukol na 1125.27 μm × 843.96 μm, asin an total na inaanalisar na lugar para sa lambang sample 5.7 mm2.
(A) Compressive stress-strain na gawi-gawi kan mga alginate hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire. (B) Eksponensyal na pagkakaangay. (C) Kompresyon E0 kan mga bula nin hydrogel na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire. (D) Ultimate compressive stress asin strain kan alginate hydrogel foams na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire.
An Pigura 3 (D, E, F) nagpapahiling na an distribusyon kan kadakulaan kan mga labot medyo uniporme, poon sa manampulong mikrometro sagkod sa mga 500 mikrometro. An kadakulaan kan mga labot sa pundamental uniporme, asin ini nagbabawas nin dikit mantang nagbabawas an volume kan aire. Susog sa datos kan pag-eksamin, an average na sukol kan mga labot kan 50 ml na sample 192.16 μm, an median 184.51 μm, asin an bilang kan mga labot kada yunit na lugar 103; an average na kadakulaan kan mga labot kan 100 ml na sample 156.62 μm, an median 151.07 μm, asin an bilang kan mga labot kada yunit na lugar 109; an mga katumbas na halaga kan 110 ml na sample iyo an 163.07 μm, 150.29 μm asin 115, sunod-sunod. An datos nagpapahiling na an mas darakulang mga labot igwa nin mas dakulang impluwensya sa mga resulta kan estadistikal kan average na kadakulaan kan labot, asin an median na kadakulaan kan labot mas makakapahiling kan pagbabago kan uso kan kadakulaan kan labot. Mantang an sample volume nagdadakula poon 50 ml sagkod 110 ml, an bilang kan mga pores nagdadakula man. Sa pagkombinar kan mga estadistikal na resulta kan median na diametro kan pore asin numero kan pore, puwedeng magkonklusyon na sa paglangkaw kan volume, mas dakol na pores na mas sadit an sukol an napoporma sa laog kan sample.
An datos kan mekanikal na pag-eksamin ipinapahiling sa mga Pigura 4A asin 4D. An Pigura 4A nagpapahiling kan gawi-gawi kan compressive stress-strain kan mga inandam na hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire. An mga resulta nagpapahiling na an gabos na sample igwa nin kaparehong bakong linear na gawi-gawi nin stress-strain. Para sa lambang sample, an stress mas marikas na nagdadakula sa paglangkaw kan strain. An eksponensyal na kurba pig-fit sa gawi-gawi kan compressive stress-strain kan hydrogel foam. An Pigura 4B nagpapahiling kan mga resulta pagkatapos na iaplikar an eksponensyal na function bilang sarong modelo nin pag-aprobar sa hydrogel foam.
Para sa mga hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire, an saindang compressive modulus (E0) pinag-adalan man. Kapareho kan pag-analisar kan mga hydrogel, an compressive Young's modulus pig-imbestigar sa laog kan 20% na enot na strain. An mga resulta kan mga pag-eksamin sa kompresyon ipinapahiling sa Pigura 4C. An mga resulta sa Figure 4C nagpapahiling na mantang an ratio kan volume kan aire nagbaba poon sa sample 50 pasiring sa sample 110, an compressive Young's modulus E0 kan alginate hydrogel foam nagdadakula poon 10.86 kPa sagkod 18 kPa.
Siring man, an kumpletong mga kurba nin stress-strain kan mga hydrogel foam, siring man an ultimong mga halaga nin compressive stress asin strain, nakua. An Pigura 4D nagpapahiling kan ultimong compressive stress asin strain kan mga alginate hydrogel foam. An lambang punto nin datos iyo an average kan tolong resulta kan pag-eksamin. An mga resulta nagpapahiling na an ultimong compressive stress nagdadakula poon 9.84 kPa sagkod 17.58 kPa na may pagbaba kan laog nin gas. An ultimong strain nagdadanay na estable sa mga 38%.
An Pigura 2 (A, B, asin C) nagpapahiling kan mga imahe kan CT kan mga hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire na katumbas kan mga sample 50, 100, asin 110, sunod-sunod. An mga imahe nagpapahiling na an nabuo na hydrogel foam haros magkapareho. Sarong sadit na bilang nin mga gaps an naobserbaran sa mga sample 100 asin 110. An pagporma kan mga gaps na ini pwedeng huli sa panlaog na stress na nagigibo sa hydrogel sa laog kan proseso nin gelation. Kinarkulo niamo an mga halaga kan HU para sa 5 cross section kan lambang sample asin ilinista sinda sa Table 5 kaiba an mga katumbas na resulta kan teoretikal na kalkulasyon.
Ipinapahiling kan Table 5 na an mga sample na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire nakakua nin manlaen-laen na halaga nin HU. An pinakahalangkaw na p value sa pag-ultanan kan 50 ml, 100 ml asin 110 ml na mga grupo iyo an 0.004 < 0.05, na nagpapahiling kan estadistikal na kahulugan kan mga resulta. Sa tolong sample na pigtestingan, an sample na may 50 ml na pinaghalo igwa nin mga radyological properties na pinakaharani sa mga pulmon nin tawo. An huring kolum kan Table 5 iyo an resulta na nakua sa paagi nin teoretikal na kalkulasyon base sa sinukol na halaga kan bula na \(\:\rho\:\). Sa pagkumpara kan mga sinukol na datos sa mga teoretikal na resulta, mahihiling na an mga halaga kan HU na nakua sa paagi nin CT scanning sa pankagabsan harani sa mga teoretikal na resulta, na sa huri nagkukumpirma kan mga resulta kan pagkalkulo kan ratio kan volume kan aire sa Figure 1C.
An mayor na obheto kan pag-aadal na ini iyo an maggibo nin materyales na may mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad na maikukumpara sa mga pulmon nin tawo. An obhetong ini nakamit sa paagi nin paggibo nin sarong materyal na nakabase sa hydrogel na may mga mekanikal asin radyolohikong propyedad na katumbas kan tisyu na pinakaharani sa mga pulmon nin tawo. Sa paggiya kan mga teoretikal na kalkulasyon, an mga hydrogel foam na may manlaen-laen na ratio kan volume kan aire pigpreparar sa paagi nin mekanikal na paghalo kan solusyon nin sodium alginate, CaCO3, GDL asin SLES 70. An pag-analisar kan morpolohiya nagpahiling na sarong homogenous three-dimensional stable hydrogel foam an nabuo. Sa paagi nin pagbabago kan ratio kan volume kan aire, an densidad asin porosidad kan foam pwedeng iba-ibahon sa kagustuhan. Sa paglangkaw kan laog kan volume kan aire, an kadakulaan kan mga labot medyo nagbaba asin an bilang kan mga labot nagdadakula. An mga pag-eksamin sa kompresyon ginibo tanganing analisaron an mga mekanikal na propyedad kan mga alginate hydrogel foam. An mga resulta nagpahiling na an compressive modulus (E0) na nakua sa mga compression test yaon sa tamang sakop para sa mga pulmon nin tawo. An E0 nagdadakula mantang an ratio kan volume kan aire nagbaba. An mga halaga kan mga propyedad sa radyolohiya (HU) kan mga inandam na sample nakua base sa datos kan CT kan mga sample asin pigkumpara sa mga resulta kan mga teoretikal na kalkulasyon. Paborable an mga resulta. An sinukol na halaga harani man sa halaga kan HU kan mga pulmon nin tawo. An mga resulta nagpapahiling na posibleng makagibo nin mga bula nin hydrogel na nag-aarog sa tisyu na may ideyal na kombinasyon nin mga mekanikal asin radyolohikal na mga propyedad na nag-aarog sa mga propyedad kan mga pulmon nin tawo.
Sa ibong kan mga nagtutubod na resulta, an presenteng mga paagi nin paggibo kaipuhan na pakarhayon tanganing mas makontrol an ratio kan volume kan aire asin an porosity tanganing makatugma sa mga prediksyon gikan sa mga teoretikal na kalkulasyon asin tunay na mga pulmon nin tawo sa parehong global asin lokal na mga eskala. An presenteng pag-aadal limitado man sa pagtesting kan mga mekaniko nin kompresyon, na naglilimitar kan potensyal na aplikasyon kan phantom sa yugto nin kompresyon kan siklo nin paghangos. An mga pagsiyasat sa maabot na panahon makikinabang sa pag-imbestigar kan tensile testing siring man an kabilogan na mekanikal na estabilidad kan materyal tanganing ma-assess an mga potensyal na aplikasyon sa irarom kan dinamikong mga kondisyon nin pagkarga. Sa ibong kan mga limitasyon na ini, an pag-aadal iyo an pinakaenot na mapangganang pagprobar na pagsararoon an mga radyolohikal asin mekanikal na mga propyedad sa sarong materyal na nag-aarog sa pulmon nin tawo.
An mga dataset na nagigibo asin/o na-analisar sa laog kan presenteng pag-aadal makukua sa katumbas na kagsurat sa rasonableng kahagadan. Parehong an mga eksperimento asin mga dataset pwedeng i-reproduce.
Song, G., asin iba pa. Mga bagong nanoteknolohiya asin mga advanced na materyales para sa radiation therapy sa kanser. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Patayon, PJ, asin iba pa. Report kan AAPM 76a Task Force sa Respiratory Motion Management sa Radiation Oncology. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., asin Brock, KK Pagmodelo kan interface asin materyal na mga nonlinearities sa pulmon nin tawo. Pisika asin Medisina asin Biolohiya 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., asin iba pa. Modelo nin kanser sa baga na garo tumor na ginibo sa paagi nin 3D bioprinting. 3. Bioteknolohiya. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., asin iba pa. Pagmodelo kan deformation kan pulmon: sarong paagi na pinagsasaro an mga teknika sa pagrehistro nin imahe na pwedeng deformable asin an pagtantiya kan Young's modulus na nagbabago sa espasyo. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. An katagasan kan buhay na tisyu asin an mga implikasyon kaini sa inhenyeriya nin tisyu. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).