Tak fordi du besøger nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi at bruge den nyeste browserversion (eller at deaktivere kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). Derudover vil dette websted ikke indeholde stilarter eller JavaScript for at sikre fortsat understøttelse.
Bevægelse af organer og væv kan føre til fejl i placeringen af ​​røntgenstråler under strålebehandling. Derfor er der behov for materialer med vævsækvivalente mekaniske og radiologiske egenskaber for at efterligne organbevægelser med henblik på optimering af strålebehandling. Udviklingen af ​​sådanne materialer er dog fortsat en udfordring. Alginathydrogeler har egenskaber, der ligner den ekstracellulære matrix', hvilket gør dem lovende som vævsækvivalente materialer. I denne undersøgelse blev alginathydrogelskum med ønskede mekaniske og radiologiske egenskaber syntetiseret ved in situ Ca2+-frigivelse. Luft-til-volumen-forholdet blev omhyggeligt kontrolleret for at opnå hydrogelskum med definerede mekaniske og radiologiske egenskaber. Materialernes makro- og mikromorfologi blev karakteriseret, og hydrogelskummets opførsel under kompression blev undersøgt. De radiologiske egenskaber blev estimeret teoretisk og verificeret eksperimentelt ved hjælp af computertomografi. Denne undersøgelse kaster lys over den fremtidige udvikling af vævsækvivalente materialer, der kan bruges til optimering af strålingsdosis og kvalitetskontrol under strålebehandling.
Strålebehandling er en almindelig behandling af kræft1. Bevægelse af organer og væv fører ofte til fejl i placeringen af ​​røntgenstråler under strålebehandling2, hvilket kan resultere i underbehandling af tumoren og overeksponering af omgivende raske celler for unødvendig stråling. Evnen til at forudsige bevægelsen af ​​organer og væv er afgørende for at minimere tumorlokaliseringsfejl. Denne undersøgelse fokuserede på lungerne, da de undergår betydelige deformationer og bevægelser, når patienter trækker vejret under strålebehandling. Forskellige finite element-modeller er blevet udviklet og anvendt til at simulere bevægelsen af ​​menneskelige lunger3,4,5. Menneskelige organer og væv har imidlertid komplekse geometrier og er meget patientafhængige. Derfor er materialer med vævsækvivalente egenskaber meget nyttige til at udvikle fysiske modeller for at validere teoretiske modeller, fremme forbedret medicinsk behandling og til medicinske uddannelsesformål.
Udviklingen af ​​blødtvævslignende materialer for at opnå komplekse eksterne og interne strukturelle geometrier har tiltrukket sig stor opmærksomhed, fordi deres iboende mekaniske uoverensstemmelser kan føre til fejl i målapplikationer6,7. Modellering af lungevævets komplekse biomekanik, som kombinerer ekstrem blødhed, elasticitet og strukturel porøsitet, udgør en betydelig udfordring i udviklingen af ​​modeller, der nøjagtigt reproducerer den menneskelige lunge. Integrationen og matchningen af ​​mekaniske og radiologiske egenskaber er afgørende for lungemodellers effektive ydeevne i terapeutiske interventioner. Additiv fremstilling har vist sig at være effektiv til udvikling af patientspecifikke modeller, hvilket muliggør hurtig prototyping af komplekse designs. Shin et al.8 udviklede en reproducerbar, deformerbar lungemodel med 3D-printede luftveje. Haselaar et al.9 udviklede et fantom, der meget ligner rigtige patienter, til vurdering af billedkvalitet og positionsverifikationsmetoder til strålebehandling. Hong et al10 udviklede en CT-thoraxmodel ved hjælp af 3D-printning og silikone-støbningsteknologi til at reproducere CT-intensiteten af ​​forskellige lungelæsioner for at evaluere nøjagtigheden af ​​kvantificeringen. Disse prototyper er dog ofte lavet af materialer, hvis effektive egenskaber er meget forskellige fra lungevævets.
I øjeblikket er de fleste lungefantomer lavet af silikone- eller polyurethanskum, som ikke matcher de mekaniske og radiologiske egenskaber af ægte lungeparenkym.12,13 Alginathydrogeler er biokompatible og har været meget anvendt i vævsteknologi på grund af deres justerbare mekaniske egenskaber.14 Det er dog fortsat en eksperimentel udfordring at reproducere den ultrabløde, skumlignende konsistens, der kræves til et lungefantom, der nøjagtigt efterligner lungevævets elasticitet og fyldstruktur.
I denne undersøgelse blev det antaget, at lungevæv er et homogent elastisk materiale. Tætheden af ​​humant lungevæv (\(\:\rho\:\)) er rapporteret til at være 1,06 g/cm3, og tætheden af ​​den oppustede lunge er 0,26 g/cm315. En bred vifte af Youngs modulus (MY)-værdier for lungevæv er blevet opnået ved hjælp af forskellige eksperimentelle metoder. Lai-Fook et al. 16 målte YM af human lunge med ensartet oppustning til at være 0,42-6,72 kPa. Goss et al. 17 anvendte magnetisk resonanselastografi og rapporterede en YM på 2,17 kPa. Liu et al. 18 rapporterede en direkte målt YM på 0,03-57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 estimerede YM til at være 0,1-2,7 kPa baseret på 4D CT-data opnået fra udvalgte patienter.
For lungens radiologiske egenskaber anvendes adskillige parametre til at beskrive lungevævets interaktionsadfærd med røntgenstråler, herunder grundstofsammensætningen, elektrontætheden (\(\:{\rho\:}_{e}\)), det effektive atomnummer (\(\:{Z}_{eff}\)), den gennemsnitlige excitationsenergi (\(\:I\)), massedæmpningskoefficienten (\:\:\mu\:/\rho\:\)) og Hounsfield-enheden (HU), som er direkte relateret til \(\:\mu\:/\rho\:\).
Elektrontætheden \(\:{\rho\:}_{e}\) er defineret som antallet af elektroner pr. volumenhed og beregnes som følger:
hvor \(\:\rho\:\) er materialets densitet i g/cm3, \(\:{N}_{A}\) er Avogadros konstant, \(\:{w}_{i}\) er massefraktionen, \(\:{Z}_{i}\) er atomnummeret, og \(\:{A}_{i}\) er atomvægten af ​​det i-te element.
Atomnummeret er direkte relateret til arten af ​​strålingsinteraktionen i materialet. For forbindelser og blandinger, der indeholder flere grundstoffer (f.eks. tekstiler), skal det effektive atomnummer \(\:{Z}_{eff}\) beregnes. Formlen blev foreslået af Murthy et al. 20:
Den gennemsnitlige excitationsenergi \(\:I\) beskriver, hvor let målmaterialet absorberer den kinetiske energi fra de penetrerende partikler. Den beskriver kun målmaterialets egenskaber og har intet at gøre med partiklernes egenskaber. \(\:I\) kan beregnes ved at anvende Braggs additivitetsregel:
Massedæmpningskoefficienten _(_:\mu\:/_rho\:\) beskriver fotonernes penetration og energifrigivelse i målmaterialet. Den kan beregnes ved hjælp af følgende formel:
Hvor \(\:x\) er materialets tykkelse, \(\:{I}_{0}\) er den indfaldende lysintensitet, og \(\:I\) er fotonintensiteten efter penetration i materialet. \(\:\mu\:/\rho\:\) data kan hentes direkte fra NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\:\:\:/\rho\:\) værdier for blandinger og forbindelser kan udledes ved hjælp af additivitetsreglen som følger:
HU er en standardiseret dimensionsløs måleenhed for radiodensitet i fortolkningen af ​​computertomografi (CT)-data, som transformeres lineært fra den målte dæmpningskoefficient \(\:\mu\:\). Den er defineret som:
hvor \(\:{\mu\:}_{water}\) er dæmpningskoefficienten for vand, og \(\:{\mu\:}_{air}\) er dæmpningskoefficienten for luft. Derfor ser vi fra formel (6), at HU-værdien for vand er 0, og HU-værdien for luft er -1000. HU-værdien for menneskelige lunger varierer fra -600 til -70022.
Adskillige vævsækvivalente materialer er blevet udviklet. Griffith et al. 23 udviklede en vævsækvivalentmodel af den menneskelige torso lavet af polyurethan (PU), hvortil forskellige koncentrationer af calciumcarbonat (CaCO3) blev tilsat for at simulere de lineære dæmpningskoefficienter for forskellige menneskelige organer, herunder den menneskelige lunge, og modellen fik navnet Griffith. Taylor24 præsenterede en anden lungevævsækvivalentmodel udviklet af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), kaldet LLLL1. Traub et al.25 udviklede en ny lungevævserstatning ved hjælp af Foamex XRS-272 indeholdende 5,25% CaCO3 som præstationsforstærker, som fik navnet ALT2. Tabel 1 og 2 viser en sammenligning af \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) og massedæmpningskoefficienterne for den menneskelige lunge (ICRU-44) og ovenstående vævsækvivalentmodeller.
Trods de fremragende radiologiske egenskaber, der opnås, er næsten alle fantommaterialer lavet af polystyrenskum, hvilket betyder, at disse materialers mekaniske egenskaber ikke kan nærme sig menneskelige lungers. Youngs modul (YM) for polyurethanskum er omkring 500 kPa, hvilket langt fra er ideelt sammenlignet med normale menneskelige lunger (ca. 5-10 kPa). Derfor er det nødvendigt at udvikle et nyt materiale, der kan opfylde de mekaniske og radiologiske egenskaber ved rigtige menneskelige lunger.
Hydrogeler anvendes i vid udstrækning inden for vævsteknologi. Deres struktur og egenskaber ligner den ekstracellulære matrix (ECM) og er let justerbare. I denne undersøgelse blev ren natriumalginat valgt som biomateriale til fremstilling af skum. Alginathydrogeler er biokompatible og anvendes i vid udstrækning inden for vævsteknologi på grund af deres justerbare mekaniske egenskaber. Den elementære sammensætning af natriumalginat (C6H7NaO6)n og tilstedeværelsen af ​​Ca2+ gør det muligt at justere dets radiologiske egenskaber efter behov. Denne kombination af justerbare mekaniske og radiologiske egenskaber gør alginathydrogeler ideelle til vores undersøgelse. Alginathydrogeler har naturligvis også begrænsninger, især med hensyn til langsigtet stabilitet under simulerede respirationscyklusser. Derfor er der behov for yderligere forbedringer, og dette forventes i fremtidige undersøgelser for at imødegå disse begrænsninger.
I dette arbejde udviklede vi et alginathydrogelskummateriale med kontrollerbare rho-værdier, elasticitet og radiologiske egenskaber svarende til dem i humant lungevæv. Dette studie vil give en generel løsning til fremstilling af vævslignende fantomer med justerbare elastiske og radiologiske egenskaber. Materialeegenskaberne kan nemt tilpasses ethvert menneskeligt væv og organ.
Det ønskede luft-til-volumen-forhold for hydrogelskummet blev beregnet ud fra HU-området for menneskelige lunger (-600 til -700). Det blev antaget, at skummet var en simpel blanding af luft og syntetisk alginathydrogel. Ved at bruge en simpel additionsregel for individuelle elementer \(\:\mu\:/\rho\:\) kunne volumenfraktionen af ​​luft og volumenforholdet for den syntetiserede alginathydrogel beregnes.
Alginathydrogelskum blev fremstillet ved hjælp af natriumalginat (varenr. W201502), CaCO3 (varenr. 795445, MW: 100,09) og GDL (varenr. G4750, MW: 178,14) købt fra Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% natriumlaurylethersulfat (SLES 70) blev købt fra Renowned Trading LLC. Deioniseret vand blev anvendt i skumfremstillingsprocessen. Natriumalginat blev opløst i deioniseret vand ved stuetemperatur under konstant omrøring (600 rpm), indtil en homogen gul, gennemskinnelig opløsning blev opnået. CaCO3 i kombination med GDL blev anvendt som en Ca2+-kilde til at initiere gelering. SLES 70 blev anvendt som et overfladeaktivt stof til at danne en porøs struktur inde i hydrogelen. Alginatkoncentrationen blev opretholdt på 5%, og Ca2+:-COOH-molforholdet blev opretholdt på 0,18. CaCO3:GDL-molforholdet blev også opretholdt på 0,5 under skumfremstillingen for at opretholde en neutral pH-værdi. Værdien er 26. 2 volumenprocent SLES 70 blev tilsat til alle prøver. Et bægerglas med låg blev brugt til at kontrollere blandingsforholdet mellem opløsning og luft. Bægerglassets samlede volumen var 140 ml. Baseret på de teoretiske beregningsresultater blev forskellige volumener af blandingen (50 ml, 100 ml, 110 ml) tilsat bægerglasset for at blande med luft. Prøven indeholdende 50 ml af blandingen blev designet til at blande med tilstrækkelig luft, mens luftvolumenforholdet i de to andre prøver blev kontrolleret. Først blev SLES 70 tilsat alginatopløsningen og omrørt med en elektrisk omrører, indtil den var fuldstændig blandet. Derefter blev CaCO3-suspensionen tilsat blandingen og omrørt kontinuerligt, indtil blandingen var fuldstændig blandet, hvorefter dens farve skiftede til hvid. Endelig blev GDL-opløsningen tilsat blandingen for at starte gelering, og mekanisk omrøring blev opretholdt under hele processen. For prøven indeholdende 50 ml af blandingen blev den mekaniske omrøring stoppet, når blandingens volumen holdt op med at ændre sig. For prøverne indeholdende 100 ml og 110 ml af blandingen blev den mekaniske omrøring stoppet, når blandingen fyldte bægerglasset. Vi forsøgte også at fremstille hydrogelskum med et volumen mellem 50 ml og 100 ml. Der blev dog observeret strukturel ustabilitet af skummet, da det fluktuerede mellem tilstanden med fuldstændig luftblanding og tilstanden med luftvolumenkontrol, hvilket resulterede i inkonsistent volumenkontrol. Denne ustabilitet medførte usikkerhed i beregningerne, og derfor blev dette volumeninterval ikke inkluderet i denne undersøgelse.
Densiteten \(\:\rho\:\) af et hydrogelskum beregnes ved at måle massen \(\:m\) og volumen \(\:V\) af en hydrogelskumprøve.
Optiske mikroskopiske billeder af hydrogelskum blev taget ved hjælp af et Zeiss Axio Observer A1-kamera. ImageJ-software blev brugt til at beregne antallet og størrelsesfordelingen af ​​porer i en prøve i et bestemt område baseret på de opnåede billeder. Poreformen antages at være cirkulær.
For at undersøge de mekaniske egenskaber af alginathydrogelskum blev der udført uniaksiale kompressionstests ved hjælp af en TESTRESOURCES 100-serie maskine. Prøverne blev skåret i rektangulære blokke, og blokkenes dimensioner blev målt for at beregne spændinger og tøjninger. Krydshovedets hastighed blev indstillet til 10 mm/min. Tre prøver blev testet for hver prøve, og gennemsnittet og standardafvigelsen blev beregnet ud fra resultaterne. Denne undersøgelse fokuserede på de kompressionsmekaniske egenskaber af alginathydrogelskum, da lungevævet udsættes for kompressionskræfter på et bestemt stadie af respirationscyklussen. Strækbarheden er naturligvis afgørende, især for at afspejle lungevævets fulde dynamiske adfærd, og dette vil blive undersøgt i fremtidige undersøgelser.
De fremstillede hydrogelskumprøver blev scannet på en Siemens SOMATOM Drive dobbeltkanals CT-scanner. Scanningsparametrene blev indstillet som følger: 40 mAs, 120 kVp og 1 mm skivetykkelse. De resulterende DICOM-filer blev analyseret ved hjælp af MicroDicom DICOM Viewer-softwaren til at analysere HU-værdierne for 5 tværsnit af hver prøve. De HU-værdier, der blev opnået ved CT, blev sammenlignet med teoretiske beregninger baseret på prøvernes densitetsdata.
Formålet med denne undersøgelse er at revolutionere fremstillingen af ​​individuelle organmodeller og kunstigt biologisk væv ved at konstruere bløde materialer. Udvikling af materialer med mekaniske og radiologiske egenskaber, der matcher arbejdsmekanikken i menneskelige lunger, er vigtig for målrettede anvendelser såsom forbedring af medicinsk træning, kirurgisk planlægning og planlægning af strålebehandling. I figur 1A har vi plottet uoverensstemmelsen mellem de mekaniske og radiologiske egenskaber af bløde materialer, der formodes at blive brugt til at fremstille menneskelige lungemodeller. Til dato er der blevet udviklet materialer, der udviser de ønskede radiologiske egenskaber, men deres mekaniske egenskaber opfylder ikke de ønskede krav. Polyurethanskum og gummi er de mest anvendte materialer til fremstilling af deformerbare menneskelige lungemodeller. De mekaniske egenskaber af polyurethanskum (Youngs modul, YM) er typisk 10 til 100 gange større end egenskaberne for normalt menneskeligt lungevæv. Materialer, der udviser både de ønskede mekaniske og radiologiske egenskaber, er endnu ikke kendte.
(A) Skematisk repræsentation af egenskaberne ved forskellige bløde materialer og sammenligning med menneskelige lunger med hensyn til densitet, Youngs modul og radiologiske egenskaber (i HU). (B) Røntgendiffraktionsmønster af \(\:\mu\:/\rho\:\) alginathydrogel med en koncentration på 5% og et Ca2+:-COOH molforhold på 0,18. (C) Interval af luftvolumenforhold i hydrogelskum. (D) Skematisk repræsentation af alginathydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold.
Elementarsammensætningen af ​​alginathydrogeler med en koncentration på 5% og et Ca2+:-COOH molforhold på 0,18 blev beregnet, og resultaterne er vist i tabel 3. I henhold til additionsreglen i den foregående formel (5) opnås massedæmpningskoefficienten for alginathydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) som vist i figur 1B.
Værdierne for luft og vand blev hentet direkte fra NIST 12612-standardreferencedatabasen. Figur 1C viser således de beregnede luftvolumenforhold i hydrogelskum med HU-ækvivalentværdier mellem -600 og -700 for den menneskelige lunge. Det teoretisk beregnede luftvolumenforhold er stabilt inden for 60-70% i energiområdet fra 1 × 10⁻³ til 2 × 10¹ MeV, hvilket indikerer et godt potentiale for anvendelse af hydrogelskum i downstream-fremstillingsprocesser.
Figur 1D viser den fremstillede prøve af alginathydrogelskum. Alle prøver blev skåret i terninger med en kantlængde på 12,7 mm. Resultaterne viste, at der blev dannet et homogent, tredimensionelt stabilt hydrogelskum. Uanset luftvolumenforholdet blev der ikke observeret nogen signifikante forskelle i hydrogelskummens udseende. Hydrogelskummets selvbærende natur antyder, at netværket dannet i hydrogelen er stærkt nok til at bære selve skummets vægt. Bortset fra en lille mængde vandlækage fra skummet udviste skummet også forbigående stabilitet i flere uger.
Ved at måle massen og volumenet af skumprøven blev densiteten af ​​det fremstillede hydrogelskum \(\:\rho\:\) beregnet, og resultaterne er vist i tabel 4. Resultaterne viser afhængigheden af ​​\(\:\rho\:\) af volumenforholdet mellem luften. Når tilstrækkeligt luft blandes med 50 ml af prøven, bliver densiteten lavest og er 0,482 g/cm3. Når mængden af ​​blandet luft falder, stiger densiteten til 0,685 g/cm3. Den maksimale p-værdi mellem grupperne på 50 ml, 100 ml og 110 ml var 0,004 < 0,05, hvilket indikerer resultaternes statistiske signifikans.
Den teoretiske \(\:\rho\:\) værdi beregnes også ved hjælp af det kontrollerede luftvolumenforhold. De målte resultater viser, at \(\:\rho\:\) er 0,1 g/cm³ mindre end den teoretiske værdi. Denne forskel kan forklares med den interne spænding, der genereres i hydrogelen under geleringsprocessen, hvilket forårsager hævelse og dermed fører til et fald i \(\:\rho\:\). Dette blev yderligere bekræftet af observationen af ​​nogle huller inde i hydrogelskummet på CT-billederne vist i figur 2 (A, B og C).
Optiske mikroskopibilleder af hydrogelskum med forskelligt luftvolumenindhold (A) 50, (B) 100 og (C) 110. Celleantal og porestørrelsesfordeling i alginathydrogelskumprøver (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figur 3 (A, B, C) viser optiske mikroskopbilleder af hydrogelskumprøverne med forskellige luftvolumenforhold. Resultaterne demonstrerer hydrogelskummets optiske struktur og viser tydeligt billeder af porer med forskellige diametre. Fordelingen af ​​poreantal og diameter blev beregnet ved hjælp af ImageJ. Der blev taget seks billeder for hver prøve, hvert billede havde en størrelse på 1125,27 μm × 843,96 μm, og det samlede analyserede areal for hver prøve var 5,7 mm².
(A) Kompressionsspændings-tøjningsadfærd for alginathydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold. (B) Eksponentiel tilpasning. (C) Kompressions E0 for hydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold. (D) Ultimativ kompressionsspænding og -tøjning for alginathydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold.
Figur 3 (D, E, F) viser, at porestørrelsesfordelingen er relativt ensartet og spænder fra ti mikrometer til omkring 500 mikrometer. Porestørrelsen er stort set ensartet og falder en smule, når luftvolumenet falder. Ifølge testdataene er den gennemsnitlige porestørrelse for 50 ml prøven 192,16 μm, medianen er 184,51 μm, og antallet af porer pr. arealenhed er 103; den gennemsnitlige porestørrelse for 100 ml prøven er 156,62 μm, medianen er 151,07 μm, og antallet af porer pr. arealenhed er 109; de tilsvarende værdier for 110 ml prøven er henholdsvis 163,07 μm, 150,29 μm og 115. Dataene viser, at de større porer har større indflydelse på de statistiske resultater af den gennemsnitlige porestørrelse, og medianporestørrelsen kan bedre afspejle ændringstendensen i porestørrelsen. Efterhånden som prøvevolumenet stiger fra 50 ml til 110 ml, stiger antallet af porer også. Ved at kombinere de statistiske resultater af medianporediameter og poreantal kan det konkluderes, at med stigende volumen dannes flere porer af mindre størrelse inde i prøven.
De mekaniske testdata er vist i figur 4A og 4D. Figur 4A viser den trykmæssige spændings-tøjningsadfærd for de fremstillede hydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold. Resultaterne viser, at alle prøver har lignende ikke-lineær spændings-tøjningsadfærd. For hver prøve stiger spændingen hurtigere med stigende tøjning. En eksponentiel kurve blev tilpasset den trykmæssige spændings-tøjningsadfærd for hydrogelskummet. Figur 4B viser resultaterne efter anvendelse af den eksponentielle funktion som en tilnærmelsesmodel på hydrogelskummet.
For hydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold blev deres trykmodul (E0) også undersøgt. I lighed med analysen af ​​hydrogelerne blev det trykmæssige Youngs modul undersøgt i området 20% initial tøjning. Resultaterne af kompressionstestene er vist i figur 4C. Resultaterne i figur 4C viser, at når luftvolumenforholdet falder fra prøve 50 til prøve 110, stiger det trykmæssige Youngs modul E0 for alginathydrogelskummet fra 10,86 kPa til 18 kPa.
Tilsvarende blev de komplette spændings-tøjningskurver for hydrogelskummene, såvel som de ultimative trykspændings- og tøjningsværdier, opnået. Figur 4D viser den ultimative trykspænding og tøjning for alginathydrogelskummene. Hvert datapunkt er gennemsnittet af tre testresultater. Resultaterne viser, at den ultimative trykspænding stiger fra 9,84 kPa til 17,58 kPa med faldende gasindhold. Den ultimative tøjning forbliver stabil på omkring 38 %.
Figur 2 (A, B og C) viser CT-billeder af hydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold svarende til henholdsvis prøverne 50, 100 og 110. Billederne viser, at det dannede hydrogelskum er næsten homogent. Et lille antal huller blev observeret i prøverne 100 og 110. Dannelsen af ​​disse huller kan skyldes den indre spænding, der genereres i hydrogelen under geleringsprocessen. Vi beregnede HU-værdierne for 5 tværsnit af hver prøve og angav dem i tabel 5 sammen med de tilsvarende teoretiske beregningsresultater.
Tabel 5 viser, at prøverne med forskellige luftvolumenforhold opnåede forskellige HU-værdier. Den maksimale p-værdi mellem grupperne på 50 ml, 100 ml og 110 ml var 0,004 < 0,05, hvilket indikerer resultaternes statistiske signifikans. Blandt de tre testede prøver havde prøven med 50 ml blanding de radiologiske egenskaber, der lå tættest på menneskelige lungers. Den sidste kolonne i tabel 5 er resultatet opnået ved teoretisk beregning baseret på den målte skumværdi \(\:\rho\:\). Ved at sammenligne de målte data med de teoretiske resultater kan det konstateres, at HU-værdierne opnået ved CT-scanning generelt ligger tæt på de teoretiske resultater, hvilket igen bekræfter resultaterne af beregningen af ​​luftvolumenforholdet i figur 1C.
Hovedformålet med denne undersøgelse er at skabe et materiale med mekaniske og radiologiske egenskaber, der kan sammenlignes med dem i menneskelige lunger. Dette mål blev opnået ved at udvikle et hydrogelbaseret materiale med skræddersyede vævsækvivalente mekaniske og radiologiske egenskaber, der er så tæt som muligt på dem i menneskelige lunger. Med udgangspunkt i teoretiske beregninger blev hydrogelskum med forskellige luftvolumenforhold fremstillet ved mekanisk at blande natriumalginatopløsning, CaCO3, GDL og SLES 70. Morfologisk analyse viste, at der blev dannet et homogent tredimensionelt stabilt hydrogelskum. Ved at ændre luftvolumenforholdet kan skummets densitet og porøsitet varieres efter behov. Med stigende luftvolumenindhold falder porestørrelsen en smule, og antallet af porer øges. Kompressionstests blev udført for at analysere de mekaniske egenskaber af alginathydrogelskummene. Resultaterne viste, at kompressionsmodulet (E0) opnået fra kompressionstestene ligger i det ideelle område for menneskelige lunger. E0 stiger, når luftvolumenforholdet falder. Værdierne for de radiologiske egenskaber (HU) af de fremstillede prøver blev beregnet baseret på CT-data fra prøverne og sammenlignet med resultaterne af teoretiske beregninger. Resultaterne var gunstige. Den målte værdi er også tæt på HU-værdien for menneskelige lunger. Resultaterne viser, at det er muligt at skabe vævsimiterende hydrogelskum med en ideel kombination af mekaniske og radiologiske egenskaber, der efterligner egenskaberne ved menneskelige lunger.
Trods de lovende resultater skal de nuværende fremstillingsmetoder forbedres for bedre at kunne kontrollere luftvolumenforholdet og porøsiteten, så de matcher forudsigelser fra teoretiske beregninger og virkelige menneskelige lunger på både global og lokal skala. Den nuværende undersøgelse er også begrænset til at teste kompressionsmekanikken, hvilket begrænser den potentielle anvendelse af fantomet til kompressionsfasen af ​​respirationscyklussen. Fremtidig forskning ville have gavn af at undersøge trækprøvning samt materialets samlede mekaniske stabilitet for at vurdere potentielle anvendelser under dynamiske belastningsforhold. Trods disse begrænsninger markerer undersøgelsen det første vellykkede forsøg på at kombinere radiologiske og mekaniske egenskaber i et enkelt materiale, der efterligner den menneskelige lunge.
De datasæt, der er genereret og/eller analyseret i løbet af den aktuelle undersøgelse, er tilgængelige fra den korresponderende forfatter efter rimelig anmodning. Både eksperimenter og datasæt er reproducerbare.
Song, G., et al. Nye nanoteknologier og avancerede materialer til strålebehandling af kræft. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ m.fl. Rapport fra AAPM 76a Task Force om håndtering af respiratorisk bevægelse i strålebehandling. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., og Brock, KK. Modellering af grænseflade- og materialeulineariteter i den menneskelige lunge. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumorlignende lungekræftmodel genereret ved 3D-bioprinting. 3. Bioteknologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellering af lungedeformation: en metode, der kombinerer deformerbare billedregistreringsteknikker og rumligt varierende Youngs modul estimering. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Stivhed af levende væv og dens implikationer for vævsteknologi. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).