Kiitos käynnistäsi nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään uusinta selainversiota (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi tämä sivusto ei sisällä tyylejä tai JavaScriptiä.
Elinten ja kudosten liikkuminen voi johtaa virheisiin röntgensäteiden sijoittelussa sädehoidon aikana. Siksi tarvitaan materiaaleja, joilla on kudosekvivalentit mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet jäljittelemään elinten liikettä sädehoidon optimoimiseksi. Tällaisten materiaalien kehittäminen on kuitenkin edelleen haasteellista. Alginaattihydrogeeleillä on samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin solunulkoisella matriisilla, mikä tekee niistä lupaavia kudosekvivalentteina materiaaleina. Tässä tutkimuksessa syntetisoitiin alginaattihydrogeelivaahtoja, joilla oli halutut mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet, vapauttamalla niitä in situ Ca2+-ioneja. Ilma-tilavuussuhdetta kontrolloitiin huolellisesti, jotta saatiin hydrogeelivaahtoja, joilla oli määritellyt mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet. Materiaalien makro- ja mikromorfologiaa karakterisoitiin ja hydrogeelivaahtojen käyttäytymistä puristuksen aikana tutkittiin. Radiologiset ominaisuudet arvioitiin teoreettisesti ja varmistettiin kokeellisesti tietokonetomografian avulla. Tämä tutkimus valaisee kudosekvivalenttien materiaalien tulevaa kehitystä, joita voidaan käyttää säteilyannoksen optimointiin ja laadunvalvontaan sädehoidon aikana.
Sädehoito on yleinen syövän hoitomuoto1. Elinten ja kudosten liikkuminen johtaa usein röntgensäteiden virheisiin sädehoidon aikana2, mikä voi johtaa kasvaimen alihoitoon ja ympäröivien terveiden solujen ylialtistukseen tarpeettomalle säteilylle. Kyky ennustaa elinten ja kudosten liikettä on ratkaisevan tärkeää kasvaimen lokalisointivirheiden minimoimiseksi. Tämä tutkimus keskittyi keuhkoihin, koska ne käyvät läpi merkittäviä muodonmuutoksia ja liikkeitä, kun potilaat hengittävät sädehoidon aikana. Ihmisen keuhkojen liikkeen simuloimiseksi on kehitetty ja sovellettu erilaisia ​​äärelliselementtimenetelmämalleja3,4,5. Ihmisen elimillä ja kudoksilla on kuitenkin monimutkainen geometria ja ne ovat erittäin potilasriippuvaisia. Siksi kudosekvivalenteisia ominaisuuksia omaavat materiaalit ovat erittäin hyödyllisiä fyysisten mallien kehittämisessä teoreettisten mallien validoimiseksi, lääketieteellisen hoidon parantamiseksi ja lääketieteelliseen koulutustarkoitukseen.
Pehmytkudosta jäljittelevien materiaalien kehittäminen monimutkaisten ulkoisten ja sisäisten rakennegeometrioiden aikaansaamiseksi on herättänyt paljon huomiota, koska niiden luontaiset mekaaniset epäjohdonmukaisuudet voivat johtaa epäonnistumisiin kohdesovelluksissa6,7. Keuhkokudoksen monimutkaisen biomekaniikan mallintaminen, jossa yhdistyvät äärimmäinen pehmeys, elastisuus ja rakenteellinen huokoisuus, on merkittävä haaste kehitettäessä malleja, jotka toistavat tarkasti ihmisen keuhkoja. Mekaanisten ja radiologisten ominaisuuksien integrointi ja yhteensovittaminen on ratkaisevan tärkeää keuhkomallien tehokkaalle suorituskyvylle terapeuttisissa interventioissa. Lisäainevalmistus on osoittautunut tehokkaaksi potilaskohtaisten mallien kehittämisessä, mikä mahdollistaa monimutkaisten rakenteiden nopean prototyyppien valmistamisen. Shin ym. 8 kehittivät toistettavan, muotoaan muuttavan keuhkomallin, jossa on 3D-tulostetut hengitystiet. Haselaar ym. 9 kehittivät fantomin, joka on hyvin samanlainen kuin oikeat potilaat, kuvanlaadun arviointi- ja sijainnin varmennusmenetelmiä varten sädehoidossa. Hong ym. 10 kehittivät rintakehän TT-mallin käyttämällä 3D-tulostusta ja silikonivalutekniikkaa erilaisten keuhkovaurioiden TT-intensiteetin toistamiseksi kvantifioinnin tarkkuuden arvioimiseksi. Nämä prototyypit on kuitenkin usein valmistettu materiaaleista, joiden tehokkaat ominaisuudet ovat hyvin erilaisia ​​kuin keuhkokudoksen 11.
Tällä hetkellä useimmat keuhkofantomit on valmistettu silikonista tai polyuretaanivaahdosta, jotka eivät vastaa todellisen keuhkoparenkyymin mekaanisia ja radiologisia ominaisuuksia.12,13 Alginaattihydrogeelit ovat bioyhteensopivia ja niitä on käytetty laajalti kudosteknologiassa niiden säädettävien mekaanisten ominaisuuksien ansiosta.14 Keuhkofantomin vaatiman erittäin pehmeän, vaahtomaisen koostumuksen toistaminen, joka jäljittelee tarkasti keuhkokudoksen elastisuutta ja täyterakennetta, on kuitenkin edelleen kokeellinen haaste.
Tässä tutkimuksessa oletettiin, että keuhkokudos on homogeenista elastista materiaalia. Ihmisen keuhkokudoksen tiheyden (\(\:\rho\:\)) on raportoitu olevan 1,06 g/cm3 ja täytetyn keuhkon tiheys on 0,26 g/cm315. Keuhkokudoksen Youngin moduulin (MY) arvoille on saatu laaja vaihteluväli käyttämällä erilaisia ​​kokeellisia menetelmiä. Lai-Fook ym. 16 mittasivat tasaisesti täytetyn ihmisen keuhkon YM:ksi 0,42–6,72 kPa. Goss ym. 17 käyttivät magneettiresonanssielastografiaa ja raportoivat YM:ksi 2,17 kPa. Liu ym. 18 raportoivat suoraan mitatuksi YM:ksi 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi ym. 19 arvioivat YM:ksi 0,1–2,7 kPa valituilta potilailta saatujen 4D-TT-tietojen perusteella.
Keuhkojen radiologisten ominaisuuksien kuvaamiseksi käytetään useita parametreja kuvaamaan keuhkokudoksen ja röntgensäteiden vuorovaikutuskäyttäytymistä. Näitä parametreja ovat mm. alkuainekoostumus, elektronitiheys (\(\:{\rho\:}_{e}\)), efektiivinen järjestysluku (\(\:{Z}_{eff}\)), keskimääräinen viritysenergia (\(\:I\)), massan vaimennuskerroin (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ja Hounsfieldin yksikkö (HU), joka on suoraan yhteydessä \(\:\mu\:/\rho\:\) -arvoon.
Elektronitiheys \(\:{\rho\:}_{e}\) määritellään elektronien lukumääränä tilavuusyksikköä kohti ja se lasketaan seuraavasti:
jossa \(\:\rho\:\) on materiaalin tiheys g/cm3:nä, \(\:{N}_{A}\) on Avogadron vakio, \(\:{w}_{i}\) on massaosuus, \(\:{Z}_{i}\) on järjestysluku ja \(\:{A}_{i}\) on i:nnen alkuaineen atomipaino.
Järjestysluku liittyy suoraan materiaalin sisäisen säteilyvuorovaikutuksen luonteeseen. Useita alkuaineita sisältäville yhdisteille ja seoksille (esim. kankaille) on laskettava efektiivinen järjestysluku \(\:{Z}_{eff}\). Murthy et al. ehdottivat kaavaa 20:
Keskimääräinen viritysenergia \(\:I\) kuvaa, kuinka helposti kohdemateriaali absorboi läpäisevien hiukkasten kineettisen energian. Se kuvaa vain kohdemateriaalin ominaisuuksia eikä sillä ole mitään tekemistä hiukkasten ominaisuuksien kanssa. \(\:I\) voidaan laskea soveltamalla Braggin additiivisuussääntöä:
Massan vaimennuskerroin \(\:\mu\:/\rho\:\) kuvaa fotonien tunkeutumista kohdemateriaaliin ja energian vapautumista siinä. Se voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
Missä \(\:x\) on materiaalin paksuus, \(\:{I}_{0}\) on tulevan valon intensiteetti ja \(\:I\) on fotonin intensiteetti materiaaliin tunkeutumisen jälkeen. \(\:\mu\:/\rho\:\)-tiedot voidaan saada suoraan NIST 12621 -standardien viitetietokannasta. Seosten ja yhdisteiden \(\:\mu\:/\rho\:\)-arvot voidaan johtaa käyttämällä yhteenlaskuperiaatetta seuraavasti:
HU on standardoitu dimensioton radiodensiteettiyksikkö tietokonetomografia (TT) -tietojen tulkinnassa, joka muunnetaan lineaarisesti mitatusta vaimennuskertoimesta \(\:\mu\:\). Se määritellään seuraavasti:
jossa \(\:{\mu\:}_{water}\) on veden vaimennuskerroin ja \(\:{\mu\:}_{air}\) on ilman vaimennuskerroin. Kaavasta (6) siis nähdään, että veden HU-arvo on 0 ja ilman HU-arvo on -1000. Ihmisen keuhkojen HU-arvo vaihtelee välillä -600 - -70022.
Useita kudosekvivalenttimateriaaleja on kehitetty. Griffith ym. 23 kehittivät ihmistorsosta kudosekvivalenttimallin, joka oli valmistettu polyuretaanista (PU), johon lisättiin erilaisia ​​kalsiumkarbonaattia (CaCO3) simuloimaan eri ihmiselinten, mukaan lukien ihmisen keuhkojen, lineaarisia vaimennuskertoimia, ja mallille annettiin nimeksi Griffith. Taylor 24 esitteli toisen Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) kehittämän keuhkokudosekvivalenttimallin, jonka nimi oli LLLL1. Traub ym. 25 kehittivät uuden keuhkokudoskorvikkeen käyttäen suorituskyvyn parantajana 5,25 % CaCO3:a sisältävää Foamex XRS-272:ta, ja sen nimeksi annettiin ALT2. Taulukot 1 ja 2 esittävät vertailun ihmisen keuhkojen (ICRU-44) ja edellä mainittujen kudosekvivalenttimallien välillä.
Huolimatta saavutetuista erinomaisista radiologisista ominaisuuksista, lähes kaikki fantomimateriaalit on valmistettu polystyreenivaahdosta, mikä tarkoittaa, että näiden materiaalien mekaaniset ominaisuudet eivät pääse lähellekään ihmisen keuhkojen ominaisuuksia. Polyuretaanivaahdon Youngin moduuli (YM) on noin 500 kPa, mikä on kaukana ihanteellisesta verrattuna normaaleihin ihmisen keuhkoihin (noin 5–10 kPa). Siksi on tarpeen kehittää uusi materiaali, joka pystyy täyttämään oikeiden ihmisen keuhkojen mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet.
Hydrogeelejä käytetään laajalti kudosteknologiassa. Sen rakenne ja ominaisuudet ovat samankaltaisia ​​kuin solunulkoisen matriisin (ECM) ja niitä on helppo säätää. Tässä tutkimuksessa puhdas natriumalginaatti valittiin biomateriaaliksi vaahtojen valmistukseen. Alginaattihydrogeelit ovat bioyhteensopivia ja niitä käytetään laajalti kudosteknologiassa niiden säädettävien mekaanisten ominaisuuksien ansiosta. Natriumalginaatin alkuainekoostumus (C6H7NaO6)n ja Ca2+:n läsnäolo mahdollistavat sen radiologisten ominaisuuksien säätämisen tarpeen mukaan. Tämä säädettävien mekaanisten ja radiologisten ominaisuuksien yhdistelmä tekee alginaattihydrogeeleistä ihanteellisia tutkimukseemme. Alginaattihydrogeeleillä on luonnollisesti myös rajoituksia, erityisesti pitkäaikaisen stabiilisuuden suhteen simuloitujen hengityssyklien aikana. Siksi tarvitaan ja odotetaan lisäparannuksia tulevissa tutkimuksissa näiden rajoitusten ratkaisemiseksi.
Tässä työssä kehitimme alginaattihydrogeelivaahtomateriaalin, jonka säädettävät rho-arvot, elastisuus ja radiologiset ominaisuudet ovat samanlaiset kuin ihmisen keuhkokudoksella. Tämä tutkimus tarjoaa yleisen ratkaisun kudosmaisten fantomien valmistukseen, joilla on säädettävät elastisuus- ja radiologiset ominaisuudet. Materiaalin ominaisuudet voidaan helposti räätälöidä mihin tahansa ihmiskudokseen ja -elimeen.
Hydrogeelivaahdon tavoiteilma-tilavuussuhde laskettiin ihmisen keuhkojen HU-alueen (-600 - -700) perusteella. Oletettiin, että vaahto oli yksinkertainen seos ilmaa ja synteettistä alginaattihydrogeeliä. Käyttämällä yksinkertaista yksittäisten alkuaineiden yhteenlaskuperiaatetta \(\:\mu\:/\rho\:\), voitiin laskea ilman tilavuusosuus ja syntetisoidun alginaattihydrogeelin tilavuussuhde.
Alginaattihydrogeelivaahdot valmistettiin käyttämällä natriumalginaattia (osanumero W201502), CaCO3:a (osanumero 795445, MW: 100,09) ja GDL:ää (osanumero G4750, MW: 178,14), jotka ostettiin Sigma-Aldrich Companylta, St. Louis, MO. 70-prosenttinen natriumlauryylieetterisulfaatti (SLES 70) ostettiin Renowned Trading LLC:ltä. Vaahdonvalmistusprosessissa käytettiin deionisoitua vettä. Natriumalginaatti liuotettiin deionisoituun veteen huoneenlämmössä jatkuvasti sekoittaen (600 rpm), kunnes saatiin homogeeninen keltainen, läpikuultava liuos. CaCO3:a yhdessä GDL:n kanssa käytettiin Ca2+-lähteenä geeliytymisen aloittamiseksi. SLES 70:tä käytettiin pinta-aktiivisena aineena huokoisen rakenteen muodostamiseksi hydrogeelin sisään. Alginaattipitoisuus pidettiin 5 %:ssa ja Ca2+:-COOH-moolisuhde pidettiin 0,18:ssa. Myös CaCO3:GDL-moolisuhde pidettiin vaahdon valmistuksen aikana arvossa 0,5 neutraalin pH:n ylläpitämiseksi. Arvo on 26. Kaikkiin näytteisiin lisättiin 2 tilavuusprosenttia SLES 70:tä. Liuoksen ja ilman sekoitussuhdetta säädettiin kannellisella dekantterilasilla. Dekantterilasin kokonaistilavuus oli 140 ml. Teoreettisten laskelmien tulosten perusteella dekantterilasiin lisättiin eri tilavuuksia seosta (50 ml, 100 ml, 110 ml) sekoittamaan sitä ilman kanssa. 50 ml seosta sisältävä näyte suunniteltiin sekoittumaan riittävän määrän ilman kanssa, kun taas kahden muun näytteen ilman tilavuussuhdetta säädettiin. Ensin alginaattiliuokseen lisättiin SLES 70 ja sekoitettiin sähkösekoittimella, kunnes seos oli täysin sekoittunut. Sitten seokseen lisättiin CaCO3-suspensio ja sekoitettiin jatkuvasti, kunnes seos oli täysin sekoittunut, jolloin sen väri muuttui valkoiseksi. Lopuksi seokseen lisättiin GDL-liuos geeliytymisen aloittamiseksi, ja mekaanista sekoitusta jatkettiin koko prosessin ajan. Näytteelle, joka sisälsi 50 ml seosta, mekaaninen sekoitus lopetettiin, kun seoksen tilavuus lakkasi muuttumasta. Näytteille, jotka sisälsivät 100 ml ja 110 ml seosta, mekaaninen sekoitus lopetettiin, kun seos täytti dekantterilasin. Yritimme myös valmistaa hydrogeelivaahtoja, joiden tilavuus oli 50 ml ja 100 ml välillä. Vaahdon rakenteellista epävakautta havaittiin kuitenkin, sillä se vaihteli täydellisen ilman sekoittumisen ja ilman tilavuuden säädön välillä, mikä johti epäjohdonmukaiseen tilavuuden säätöön. Tämä epävakaus toi epävarmuutta laskelmiin, eikä tätä tilavuusaluetta siksi sisällytetty tähän tutkimukseen.
Hydrogeelivaahdon tiheys \(\:\rho\:\) lasketaan mittaamalla hydrogeelivaahtonäytteen massa \(\:m\) ja tilavuus \(\:V\).
Hydrogeelivaahtojen optiset mikroskooppikuvat saatiin Zeiss Axio Observer A1 -kameralla. ImageJ-ohjelmistolla laskettiin näytteen huokosten lukumäärä ja kokojakauma tietyllä alueella saatujen kuvien perusteella. Huokosten muodon oletetaan olevan pyöreä.
Alginaattihydrogeelivaahtojen mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseksi suoritettiin yksiaksiaaliset puristuskokeet TESTRESOURCES 100 -sarjan koneella. Näytteet leikattiin suorakaiteen muotoisiksi paloiksi ja lohkojen mitat mitattiin jännitysten ja venymien laskemiseksi. Ristipään nopeus asetettiin 10 mm/min:iin. Jokaisesta näytteestä testattiin kolme näytettä, ja keskiarvo ja keskihajonta laskettiin tuloksista. Tämä tutkimus keskittyi alginaattihydrogeelivaahtojen puristusmekaanisiin ominaisuuksiin, koska keuhkokudokseen kohdistuu puristusvoimia tietyssä hengityssyklin vaiheessa. Venyvyys on tietenkin ratkaisevan tärkeää, erityisesti keuhkokudoksen täyden dynaamisen käyttäytymisen heijastamiseksi, ja tätä tutkitaan tulevissa tutkimuksissa.
Valmistetut hydrogeelivaahtonäytteet skannattiin Siemens SOMATOM Drive -kaksikanavaisella tietokonetomografialaitteella. Skannausparametrit asetettiin seuraavasti: 40 mAs, 120 kVp ja 1 mm:n viipaleen paksuus. Tuloksena olevat DICOM-tiedostot analysoitiin MicroDicom DICOM Viewer -ohjelmistolla, jolla analysoitiin kunkin näytteen viiden poikkileikkauksen HU-arvot. Tietokonetomografialla saatuja HU-arvoja verrattiin näytteiden tiheystietoihin perustuviin teoreettisiin laskelmiin.
Tämän tutkimuksen tavoitteena on mullistaa yksittäisten elinmallien ja keinotekoisten biologisten kudosten valmistus suunnittelemalla pehmeitä materiaaleja. Ihmisen keuhkojen toimintamekaniikkaa vastaavien mekaanisten ja radiologisten ominaisuuksien omaavien materiaalien kehittäminen on tärkeää kohdennetuissa sovelluksissa, kuten lääketieteellisen koulutuksen, kirurgisen suunnittelun ja sädehoidon suunnittelun parantamisessa. Kuvassa 1A piirsimme ihmisen keuhkomallien valmistuksessa oletettavasti käytettyjen pehmeiden materiaalien mekaanisten ja radiologisten ominaisuuksien välisen eron. Tähän mennessä on kehitetty materiaaleja, joilla on halutut radiologiset ominaisuudet, mutta niiden mekaaniset ominaisuudet eivät täytä haluttuja vaatimuksia. Polyuretaanivaahto ja kumi ovat yleisimmin käytettyjä materiaaleja deformoituvien ihmisen keuhkomallien valmistukseen. Polyuretaanivaahdon mekaaniset ominaisuudet (Youngin moduuli, YM) ovat tyypillisesti 10–100 kertaa suuremmat kuin normaalin ihmisen keuhkokudoksen. Materiaaleja, joilla on sekä halutut mekaaniset että radiologiset ominaisuudet, ei vielä tunneta.
(A) Kaaviomainen esitys erilaisten pehmeiden materiaalien ominaisuuksista ja vertailu ihmisen keuhkoihin tiheyden, Youngin moduulin ja radiologisten ominaisuuksien (HU-yksiköissä) suhteen. (B) Alginaattihydrogeelin (\:\mu\:/\rho\:\) röntgendiffraktiokuvio, jonka pitoisuus on 5 % ja Ca2+:-COOH-moolisuhde 0,18. (C) Ilmatilavuussuhteiden vaihteluväli hydrogeelivaahdoissa. (D) Kaaviomainen esitys alginaattihydrogeelivaahdoista, joilla on eri ilmatilavuussuhteet.
Alginaattihydrogeelien, joiden pitoisuus oli 5 % ja Ca2+:-COOH-moolisuhde 0,18, alkuainekoostumus laskettiin, ja tulokset on esitetty taulukossa 3. Edellisen kaavan (5) yhteenlaskusäännön mukaisesti alginaattihydrogeelin massavaimennuskerroin \(\:\:\mu\:/\rho\:\) saadaan, kuten kuvassa 1B on esitetty.
Ilman ja veden \(\:\mu\:/\rho\:\)-arvot saatiin suoraan NIST 12612 -standardien viitetietokannasta. Kuvio 1C esittää lasketut ilman tilavuussuhteet hydrogeelivaahdoissa, joiden HU-ekvivalenttiarvot ihmisen keuhkoille ovat välillä -600 ja -700. Teoreettisesti laskettu ilman tilavuussuhde on vakaa 60–70 %:n välillä energia-alueella 1 × 10−3 - 2 × 101 MeV, mikä osoittaa hydrogeelivaahdon hyviä käyttömahdollisuuksia jatkojalostuksessa.
Kuva 1D esittää valmistettua alginaattihydrogeelivaahtonäytettä. Kaikki näytteet leikattiin kuutioiksi, joiden reunapituus oli 12,7 mm. Tulokset osoittivat, että muodostui homogeeninen, kolmiulotteisesti stabiili hydrogeelivaahto. Ilman tilavuussuhteesta riippumatta hydrogeelivaahtojen ulkonäössä ei havaittu merkittäviä eroja. Hydrogeelivaahdon itsestään ylläpitävä luonne viittaa siihen, että hydrogeeliin muodostunut verkosto on riittävän vahva tukemaan vaahdon omaa painoa. Pientä vesivuotoa lukuun ottamatta vaahto osoitti myös ohimenevää stabiiliutta useiden viikkojen ajan.
Mittaamalla vaahtonäytteen massa ja tilavuus laskettiin valmistetun hydrogeelivaahdon tiheys \(\:\rho\:\), ja tulokset on esitetty taulukossa 4. Tulokset osoittavat \(\:\rho\:\):n riippuvuuden ilman tilavuussuhteesta. Kun 50 ml:aan näytettä sekoitetaan riittävästi ilmaa, tiheys pienenee ja on 0,482 g/cm3. Sekoitetun ilman määrän pienentyessä tiheys kasvaa arvoon 0,685 g/cm3. Suurin p-arvo 50 ml:n, 100 ml:n ja 110 ml:n ryhmien välillä oli 0,004 < 0,05, mikä osoittaa tulosten tilastollisen merkitsevyyden.
Teoreettinen \(\:\rho\:\)-arvo lasketaan myös käyttämällä kontrolloitua ilmatilavuussuhdetta. Mitatut tulokset osoittavat, että \(\:\rho\:\) on 0,1 g/cm³ pienempi kuin teoreettinen arvo. Tämä ero voidaan selittää hydrogeeliin geeliytymisprosessin aikana syntyvällä sisäisellä jännityksellä, joka aiheuttaa turpoamista ja siten \(\:\rho\:\) -arvon pienenemistä. Tätä vahvistettiin edelleen havaittamalla joitakin rakoja hydrogeelivaahdon sisällä kuvassa 2 esitetyissä CT-kuvissa (A, B ja C).
Optiset mikroskopiakuvat hydrogeelivaahdoista, joissa on eri ilmatilavuuspitoisuudet (A) 50, (B) 100 ja (C) 110. Solujen lukumäärä ja huokoskokojakauma alginaattihydrogeelivaahtonäytteissä (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Kuva 3 (A, B, C) esittää hydrogeelivaahtonäytteiden optisen mikroskooppikuvat eri ilmatilavuussuhteilla. Tulokset osoittavat hydrogeelivaahdon optisen rakenteen ja näyttävät selvästi kuvat eri halkaisijoilla varustetuista huokosista. Huokosten lukumäärän ja halkaisijan jakauma laskettiin ImageJ-ohjelmalla. Kustakin näytteestä otettiin kuusi kuvaa, joiden koko oli 1125,27 μm × 843,96 μm ja kunkin näytteen analysoitu kokonaispinta-ala oli 5,7 mm².
(A) Alginaattihydrogeelivaahtojen puristusjännitys-venymä-käyttäytyminen eri ilmatilavuussuhteilla. (B) Eksponentiaalinen sovitus. (C) Hydrogeelivaahtojen puristus E0 eri ilmatilavuussuhteilla. (D) Alginaattihydrogeelivaahtojen lopullinen puristusjännitys ja -venymä eri ilmatilavuussuhteilla.
Kuvio 3 (D, E, F) osoittaa, että huokoskokojakauma on suhteellisen tasainen, vaihdellen kymmenistä mikrometreistä noin 500 mikrometriin. Huokoskoko on periaatteessa tasainen ja pienenee hieman ilman tilavuuden pienentyessä. Testitulosten mukaan 50 ml:n näytteen keskimääräinen huokoskoko on 192,16 μm, mediaani on 184,51 μm ja huokosten lukumäärä pinta-alayksikköä kohti on 103; 100 ml:n näytteen keskimääräinen huokoskoko on 156,62 μm, mediaani on 151,07 μm ja huokosten lukumäärä pinta-alayksikköä kohti on 109; 110 ml:n näytteen vastaavat arvot ovat 163,07 μm, 150,29 μm ja 115. Tiedot osoittavat, että suuremmilla huokosilla on suurempi vaikutus keskimääräisen huokoskoon tilastollisiin tuloksiin, ja mediaanihuokoskoko heijastaa paremmin huokoskoon muutostrendiä. Kun näytetilavuus kasvaa 50 ml:sta 110 ml:aan, myös huokosten lukumäärä kasvaa. Yhdistämällä mediaanihuokosten halkaisijan ja huokosten lukumäärän tilastolliset tulokset voidaan päätellä, että tilavuuden kasvaessa näytteen sisään muodostuu enemmän pienempiä huokosia.
Mekaanisten kokeiden tiedot on esitetty kuvissa 4A ja 4D. Kuva 4A esittää valmistettujen hydrogeelivaahtojen puristusjännitys-venymä-käyttäytymistä eri ilmatilavuussuhteilla. Tulokset osoittavat, että kaikilla näytteillä on samanlainen epälineaarinen jännitys-venymä-käyttäytyminen. Jokaisella näytteellä jännitys kasvaa nopeammin venymän kasvaessa. Hydrogeelivaahdon puristusjännitys-venymä-käyttäytymiselle sovitettiin eksponentiaalikäyrä. Kuva 4B esittää tulokset sen jälkeen, kun eksponentiaalifunktiota on sovellettu approksimoivana mallina hydrogeelivaahtoon.
Eri ilmatilavuussuhteilla varustettujen hydrogeelivaahtojen puristusmoduulia (E0) tutkittiin myös. Samoin kuin hydrogeelien analyysissä, puristusmoduulia tutkittiin 20 %:n alkuvenymän alueella. Puristuskokeiden tulokset on esitetty kuvassa 4C. Kuvan 4C tulokset osoittavat, että kun ilmatilavuussuhde pienenee näytteestä 50 näytteeseen 110, alginaattihydrogeelivaahdon puristusmoduuli E0 kasvaa 10,86 kPa:sta 18 kPa:iin.
Samoin saatiin hydrogeelivaahtojen täydelliset jännitys-venymä-käyrät sekä lopulliset puristusjännitys- ja venymäarvot. Kuva 4D esittää alginaattihydrogeelivaahtojen lopullisen puristusjännityksen ja venymän. Jokainen datapiste on kolmen testituloksen keskiarvo. Tulokset osoittavat, että lopullinen puristusjännitys kasvaa 9,84 kPa:sta 17,58 kPa:iin kaasupitoisuuden laskiessa. Lopullinen venymä pysyy vakaana noin 38 prosentissa.
Kuva 2 (A, B ja C) esittää TT-kuvia hydrogeelivaahdoista, joissa on eri ilmatilavuussuhteet näytteiden 50, 100 ja 110 mukaisesti. Kuvista käy ilmi, että muodostunut hydrogeelivaahto on lähes homogeeninen. Näytteissä 100 ja 110 havaittiin pieni määrä rakoja. Näiden rakojen muodostuminen voi johtua hydrogeeliin geeliytymisprosessin aikana syntyneestä sisäisestä jännityksestä. Laskimme HU-arvot viidelle poikkileikkaukselle kustakin näytteestä ja listasimme ne taulukossa 5 yhdessä vastaavien teoreettisten laskentatulosten kanssa.
Taulukko 5 osoittaa, että eri ilmatilavuussuhteilla varustetut näytteet saivat erilaiset HU-arvot. Suurin p-arvo 50 ml:n, 100 ml:n ja 110 ml:n ryhmien välillä oli 0,004 < 0,05, mikä osoittaa tulosten tilastollisen merkitsevyyden. Kolmesta testatusta näytteestä 50 ml:n seosta sisältävällä näytteellä oli radiologiset ominaisuudet, jotka olivat lähimpänä ihmisen keuhkojen ominaisuuksia. Taulukon 5 viimeinen sarake on mitattuun vaahto-arvoon perustuvan teoreettisen laskennan tulos \(\:\rho\:\). Vertaamalla mitattuja tietoja teoreettisiin tuloksiin voidaan havaita, että TT-skannauksella saadut HU-arvot ovat yleisesti lähellä teoreettisia tuloksia, mikä puolestaan ​​vahvistaa kuvassa 1C esitetyt ilmatilavuussuhteen laskennan tulokset.
Tämän tutkimuksen päätavoitteena on luoda materiaali, jonka mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet ovat verrattavissa ihmisen keuhkojen ominaisuuksiin. Tämä tavoite saavutettiin kehittämällä hydrogeelipohjainen materiaali, jolla on räätälöidyt kudosekvivalentit mekaaniset ja radiologiset ominaisuudet, jotka ovat mahdollisimman lähellä ihmisen keuhkojen ominaisuuksia. Teoreettisten laskelmien ohjaamina valmistettiin hydrogeelivaahtoja, joilla oli erilaiset ilmatilavuussuhteet, sekoittamalla mekaanisesti natriumalginaattiliuosta, CaCO3:a, GDL:ää ja SLES 70:tä. Morfologinen analyysi osoitti, että muodostui homogeeninen kolmiulotteinen, stabiili hydrogeelivaahto. Muuttamalla ilmatilavuussuhdetta vaahdon tiheyttä ja huokoisuutta voidaan vaihdella halutulla tavalla. Ilmatilavuuspitoisuuden kasvaessa huokoskoko pienenee hieman ja huokosten lukumäärä kasvaa. Puristuskokeet tehtiin alginaattihydrogeelivaahtojen mekaanisten ominaisuuksien analysoimiseksi. Tulokset osoittivat, että puristuskokeista saatu puristusmoduuli (E0) on ihmisen keuhkoille ihanteellisella alueella. E0 kasvaa ilmatilavuussuhteen pienentyessä. Valmistettujen näytteiden radiologisten ominaisuuksien (HU) arvot saatiin näytteiden CT-tietojen perusteella ja verrattiin teoreettisten laskelmien tuloksiin. Tulokset olivat suotuisia. Mitattu arvo on myös lähellä ihmisen keuhkojen HU-arvoa. Tulokset osoittavat, että on mahdollista luoda kudosta jäljitteleviä hydrogeelivaahtoja, joilla on ihanteellinen yhdistelmä mekaanisia ja radiologisia ominaisuuksia, jotka jäljittelevät ihmisen keuhkojen ominaisuuksia.
Lupaavista tuloksista huolimatta nykyisiä valmistusmenetelmiä on parannettava, jotta ilman tilavuussuhdetta ja huokoisuutta voidaan hallita paremmin ja vastata teoreettisten laskelmien ja todellisten ihmisen keuhkojen ennusteisiin sekä globaalilla että paikallisella tasolla. Nykyinen tutkimus rajoittuu myös puristusmekaniikan testaamiseen, mikä rajoittaa fantomin mahdollista käyttöä hengityssyklin puristusvaiheessa. Tulevaisuuden tutkimus hyötyisi vetolujuustestauksesta sekä materiaalin yleisestä mekaanisesta stabiilisuudesta, jotta voidaan arvioida mahdollisia sovelluksia dynaamisissa kuormitusolosuhteissa. Näistä rajoituksista huolimatta tutkimus on ensimmäinen onnistunut yritys yhdistää radiologiset ja mekaaniset ominaisuudet yhteen materiaaliin, joka jäljittelee ihmisen keuhkoja.
Tämän tutkimuksen aikana luodut ja/tai analysoidut aineistot ovat saatavilla vastaavalta kirjoittajalta kohtuullisesta pyynnöstä. Sekä kokeet että aineistot ovat toistettavissa.
Song, G., ym. Uudet nanoteknologiat ja edistyneet materiaalit syövän sädehoitoon. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, ym. AAPM 76a -työryhmän raportti hengitysliikkeiden hallinnasta sädehoidon yhteydessä. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. ja Brock, KK. Rajapinnan ja materiaalien epälineaarisuuksien mallintaminen ihmisen keuhkoissa. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., ym. 3D-biotulostuksella luotu kasvaimen kaltainen keuhkosyöpämalli. 3. Biotekniikka. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., ym. Keuhkojen muodonmuutoksen mallintaminen: menetelmä, jossa yhdistyvät muodonmuutoskuvien rekisteröintitekniikat ja spatiaalisesti vaihteleva Youngin moduulin estimointi. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF ym. Elävän kudoksen jäykkyys ja sen vaikutukset kudosteknologiaan. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).