Tankewol foar jo besite oan nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining advisearje wy de lêste browserferzje te brûken (of de kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, sil dizze side gjin stilen of JavaScript befetsje.
Beweging fan organen en weefsels kin liede ta flaters yn 'e posysjonearring fan röntgenstralen tidens radioterapy. Dêrom binne materialen mei weefsel-ekwivalente meganyske en radiologyske eigenskippen nedich om orgaanbeweging nei te bootsen foar de optimalisaasje fan radioterapy. De ûntwikkeling fan sokke materialen bliuwt lykwols in útdaging. Alginaathydrogels hawwe eigenskippen dy't fergelykber binne mei dy fan 'e ekstrasellulêre matrix, wêrtroch't se beloftefol binne as weefsel-ekwivalente materialen. Yn dizze stúdzje waarden alginaathydrogelskuimen mei winske meganyske en radiologyske eigenskippen synthetisearre troch in situ Ca2+ frijlitting. De loft-folumeferhâlding waard sekuer kontroleare om hydrogelskuimen te krijen mei definieare meganyske en radiologyske eigenskippen. De makro- en mikromorfology fan 'e materialen waarden karakterisearre, en it gedrach fan 'e hydrogelskuimen ûnder kompresje waard bestudearre. De radiologyske eigenskippen waarden teoretysk skatte en eksperiminteel ferifiearre mei help fan kompjûtertomografy. Dizze stúdzje jout ljocht op 'e takomstige ûntwikkeling fan weefsel-ekwivalente materialen dy't brûkt wurde kinne foar optimalisaasje fan strielingsdosis en kwaliteitskontrôle tidens radioterapy.
Strielingstherapy is in gewoane behanneling foar kanker1. Beweging fan organen en weefsels liedt faak ta flaters yn 'e posysje fan röntgenstralen tidens striielingstherapy2, wat kin resultearje yn ûnderbehanneling fan 'e tumor en oerbleatstelling fan omlizzende sûne sellen oan ûnnedige strieling. De mooglikheid om de beweging fan organen en weefsels te foarsizzen is kritysk foar it minimalisearjen fan tumorlokalisaasjeflaters. Dizze stúdzje rjochte him op 'e longen, om't se wichtige deformaasjes en bewegingen ûndergeane as pasjinten sykhelje tidens striielingstherapy. Ferskate eindige elemintenmodellen binne ûntwikkele en tapast om de beweging fan minsklike longen te simulearjen3,4,5. Minskelike organen en weefsels hawwe lykwols komplekse geometryen en binne tige pasjintôfhinklik. Dêrom binne materialen mei weefsel-lykweardige eigenskippen tige nuttich foar it ûntwikkeljen fan fysike modellen om teoretyske modellen te falidearjen, ferbettere medyske behanneling te fasilitearjen en foar medyske ûnderwiisdoelen.
De ûntwikkeling fan sêftweefsel-neimakkende materialen om komplekse eksterne en ynterne strukturele geometryen te berikken hat in soad oandacht lutsen, om't har ynherinte meganyske ynkonsistinsjes kinne liede ta mislearrings yn doeltapassingen6,7. It modellearjen fan 'e komplekse biomeganika fan longweefsel, dy't ekstreme sêftens, elastisiteit en strukturele porositeit kombinearret, foarmet in wichtige útdaging by it ûntwikkeljen fan modellen dy't de minsklike long sekuer reprodusearje. De yntegraasje en oerienkomst fan meganyske en radiologyske eigenskippen binne kritysk foar de effektive prestaasjes fan longmodellen yn terapeutyske yntervinsjes. Additive manufacturing is effektyf bliken te wêzen by it ûntwikkeljen fan pasjintspesifike modellen, wêrtroch't rappe prototyping fan komplekse ûntwerpen mooglik is. Shin et al. 8 ûntwikkelen in reprodusearber, deformearber longmodel mei 3D-printe luchtwegen. Haselaar et al. 9 ûntwikkelen in fantoom dat tige ferlykber is mei echte pasjinten foar metoaden foar beoardieling fan ôfbyldingskwaliteit en posysjeferifikaasje foar radioterapy. Hong et al10 ûntwikkelen in boarst-CT-model mei 3D-printsjen en silikongiettechnology om de CT-yntensiteit fan ferskate longlaesjes te reprodusearjen om de krektens fan kwantifikaasje te evaluearjen. Dizze prototypes wurde lykwols faak makke fan materialen waans effektive eigenskippen tige oars binne as dy fan longweefsel11.
Op it stuit binne de measte longfantomen makke fan silikon- of polyurethaanskuim, dy't net oerienkomme mei de meganyske en radiologyske eigenskippen fan echt longparenchym.12,13 Alginaathydrogels binne biokompatibel en binne in soad brûkt yn weefseltechnyk fanwegen har ynstelbere meganyske eigenskippen.14 It reprodusearjen fan 'e ultra-sêfte, skuim-achtige konsistinsje dy't nedich is foar in longfantom dat de elastisiteit en folstruktuer fan longweefsel sekuer neimakket, bliuwt lykwols in eksperimintele útdaging.
Yn dizze stúdzje waard oannommen dat longweefsel in homogeen elastysk materiaal is. De tichtens fan minsklik longweefsel (\(\:\rho\:\)) wurdt rapportearre as 1,06 g/cm3, en de tichtens fan 'e opblaasde long is 0,26 g/cm315. In breed skala oan Young's modulus (MY) wearden fan longweefsel binne krigen mei ferskate eksperimintele metoaden. Lai-Fook et al. 16 mjitten de YM fan minsklike long mei unifoarme ynflaasje op 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 brûkten magnetyske resonânsje-elastografy en rapportearren in YM fan 2,17 kPa. Liu et al. 18 rapportearren in direkt mjitten YM fan 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 skatten de YM op 0,1–2,7 kPa basearre op 4D CT-gegevens krigen fan selektearre pasjinten.
Foar de radiologyske eigenskippen fan 'e long wurde ferskate parameters brûkt om it ynteraksjegedrach fan longweefsel mei röntgenstrielen te beskriuwen, ynklusyf de elemintêre gearstalling, elektrontichtens (\(\:{\rho\:}_{e}\)), effektyf atoomnûmer (\(\:{Z}_{eff}\)), gemiddelde eksitaasje-enerzjy (\(\:I\)), massa-attenuaasjekoëffisjint (\(\:\:\:/\rho\:\)) en de Hounsfield-ienheid (HU), dy't direkt relatearre is oan \(\:\:\:/\rho\:\).
Elektronendichtheid \(\:{\rho\:}_{e}\) wurdt definiearre as it oantal elektroanen per ienheid folume en wurdt as folget berekkene:
wêrby't \(\:\rho\:\) de tichtheid fan it materiaal is yn g/cm3, \(\:{N}_{A}\) de Avogadro-konstante is, \(\:{w}_{i}\) de massafraksje is, \(\:{Z}_{i}\) it atoomnûmer is, en \(\:{A}_{i}\) it atoomgewicht fan it i-de elemint is.
It atoomnûmer is direkt relatearre oan de aard fan 'e strielingsynteraksje binnen it materiaal. Foar ferbiningen en mingsels dy't ferskate eleminten befetsje (bygelyks stoffen), moat it effektive atoomnûmer \(\:{Z}_{eff}\) berekkene wurde. De formule waard foarsteld troch Murthy et al. 20:
De gemiddelde eksitaasje-enerzjy \(\:I\) beskriuwt hoe maklik it doelmateriaal de kinetyske enerzjy fan 'e penetrearjende dieltsjes absorbearret. It beskriuwt allinich de eigenskippen fan it doelmateriaal en hat neat te krijen mei de eigenskippen fan 'e dieltsjes. \(\:I\) kin berekkene wurde troch de additiviteitsregel fan Bragg ta te passen:
De massa-ferswakkingskoëffisjint \(\:\mu\:/\rho\:\) beskriuwt de penetraasje en enerzjyfrijlitting fan fotonen yn it doelmateriaal. It kin berekkene wurde mei de folgjende formule:
Wêrby't \(\:x\) de dikte fan it materiaal is, \(\:{I}_{0}\) de ynfallende ljochtintensiteit is, en \(\:I\) de fotonintensiteit is nei penetraasje yn it materiaal. \(\:\mu\:/\rho\:\) gegevens kinne direkt wurde krigen fan 'e NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\:\mu\:/\rho\:\) wearden foar mingsels en ferbiningen kinne wurde ôflaat mei de additiviteitsregel as folget:
HU is in standerdisearre diminsjeleaze ienheid fan mjitte fan radiotichtens yn 'e ynterpretaasje fan kompjûtertomografy (CT) gegevens, dy't lineêr transformearre wurdt fan 'e mjitten ferswakkingskoëffisjint \(\:\mu\:\). It wurdt definiearre as:
wêrby't \(\:{\mu\:}_{wetter}\) de ferswakkingskoëffisjint fan wetter is, en \(\:{\mu\:}_{loft}\) de ferswakkingskoëffisjint fan loft is. Dêrom sjogge wy út formule (6) dat de HU-wearde fan wetter 0 is, en de HU-wearde fan loft -1000 is. De HU-wearde foar minsklike longen farieart fan -600 oant -70022.
Ferskate weefselekwivalente materialen binne ûntwikkele. Griffith et al. 23 ûntwikkelen in weefselekwivalentmodel fan 'e minsklike romp makke fan polyurethaan (PU) wêr't ferskate konsintraasjes kalsiumkarbonaat (CaCO3) oan tafoege waarden om de lineêre ferswakkingskoëffisiënten fan ferskate minsklike organen te simulearjen, ynklusyf de minsklike long, en it model waard Griffith neamd. Taylor24 presintearre in twadde longweefselekwivalentmodel ûntwikkele troch Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), mei de namme LLLL1. Traub et al.25 ûntwikkelen in nij longweefselferfanger mei Foamex XRS-272 mei 5,25% CaCO3 as prestaasjeferbetterer, dat ALT2 neamd waard. Tabellen 1 en 2 litte in ferliking sjen fan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) en de massaferswakkingskoëffisiënten foar de minsklike long (ICRU-44) en de boppesteande weefselekwivalente modellen.
Nettsjinsteande de poerbêste radiologyske eigenskippen dy't berikt binne, binne hast alle fantoommaterialen makke fan polystyreenskuim, wat betsjut dat de meganyske eigenskippen fan dizze materialen net yn 'e buert komme kinne fan dy fan minsklike longen. De Young's modulus (YM) fan polyurethaanskuim is sawat 500 kPa, wat fier fan ideaal is yn ferliking mei normale minsklike longen (sawat 5-10 kPa). Dêrom is it needsaaklik om in nij materiaal te ûntwikkeljen dat foldocht oan 'e meganyske en radiologyske skaaimerken fan echte minsklike longen.
Hydrogels wurde in soad brûkt yn tissue engineering. De struktuer en eigenskippen binne fergelykber mei de ekstrasellulêre matrix (ECM) en binne maklik oanpasber. Yn dizze stúdzje waard suver natriumalginaat keazen as it biomateriaal foar de tarieding fan skom. Alginaathydrogels binne biokompatibel en wurde in soad brûkt yn tissue engineering fanwegen har oanpasbere meganyske eigenskippen. De elemintêre gearstalling fan natriumalginaat (C6H7NaO6)n en de oanwêzigens fan Ca2+ meitsje it mooglik om de radiologyske eigenskippen oan te passen as nedich. Dizze kombinaasje fan oanpasbere meganyske en radiologyske eigenskippen makket alginaathydrogels ideaal foar ús stúdzje. Fansels hawwe alginaathydrogels ek beheiningen, benammen op it mêd fan lange-termyn stabiliteit tidens simulearre respiratoire syklussen. Dêrom binne fierdere ferbetteringen nedich en ferwachte yn takomstige stúdzjes om dizze beheiningen oan te pakken.
Yn dit wurk hawwe wy in alginaat hydrogel skommateriaal ûntwikkele mei kontrolearbere rho-wearden, elastisiteit en radiologyske eigenskippen fergelykber mei dy fan minsklik longweefsel. Dizze stúdzje sil in algemiene oplossing leverje foar it meitsjen fan weefsel-eftige fantomen mei ynstelbere elastyske en radiologyske eigenskippen. De materiaaleigenskippen kinne maklik oanpast wurde oan elk minsklik weefsel en oargel.
De doelferhâlding tusken loft en folume fan it hydrogel-skuim waard berekkene op basis fan it HU-berik fan minsklike longen (-600 oant -700). Der waard oannommen dat it skuim in ienfâldich mingsel wie fan loft en syntetyske alginaathydrogel. Mei in ienfâldige optelregel fan yndividuele eleminten \(\:\mu\:/\rho\:\), koe de folumefraksje fan loft en de folumeferhâlding fan 'e synthetisearre alginaathydrogel berekkene wurde.
Alginaathydrogel-skuimen waarden taret mei natriumalginaat (ûnderdielnr. W201502), CaCO3 (ûnderdielnr. 795445, MW: 100.09), en GDL (ûnderdielnr. G4750, MW: 178.14) kocht fan Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% natriumlaurylethersulfaat (SLES 70) waard kocht fan Renowned Trading LLC. Deionisearre wetter waard brûkt yn it skuimtariedingsproses. Natriumalginaat waard oplost yn deionisearre wetter by keamertemperatuer mei konstant roeren (600 rpm) oant in homogene giele trochsichtige oplossing waard krigen. CaCO3 yn kombinaasje mei GDL waard brûkt as in Ca2+-boarne om gelaasje te begjinnen. SLES 70 waard brûkt as in surfactant om in poreuze struktuer yn 'e hydrogel te foarmjen. De alginaatkonsintraasje waard op 5% hâlden en de Ca2+:-COOH-molferhâlding waard op 0.18 hâlden. De molferhâlding CaCO3:GDL waard ek op 0,5 hâlden tidens de tarieding fan it skom om in neutrale pH te behâlden. De wearde is 26. 2% folume fan SLES 70 waard tafoege oan alle samples. In beker mei in deksel waard brûkt om de mingferhâlding fan 'e oplossing en loft te kontrolearjen. It totale folume fan it beker wie 140 ml. Op basis fan 'e teoretyske berekkeningsresultaten waarden ferskate folumes fan it mingsel (50 ml, 100 ml, 110 ml) tafoege oan it beker om te mingen mei loft. It sample mei 50 ml fan it mingsel waard ûntworpen om te mingen mei genôch loft, wylst de loftfolumeferhâlding yn 'e oare twa samples kontroleare waard. Earst waard SLES 70 tafoege oan 'e alginaatoplossing en roerd mei in elektryske roerder oant it folslein mingd wie. Dêrnei waard de CaCO3-suspensje tafoege oan it mingsel en kontinu roerd oant it mingsel folslein mingd wie, doe't de kleur feroare nei wyt. Uteinlik waard de GDL-oplossing tafoege oan it mingsel om gelaasje te begjinnen, en meganysk roeren waard ûnderhâlden tidens it heule proses. Foar it stekproef mei 50 ml fan it mingsel waard it meganyske roeren stoppe doe't it folume fan it mingsel ophold mei feroarjen. Foar de stekproeven mei 100 ml en 110 ml fan it mingsel waard it meganyske roeren stoppe doe't it mingsel it bekerglas folde. Wy hawwe ek besocht hydrogel-skuimen te meitsjen mei in folume tusken 50 ml en 100 ml. Strukturele ynstabiliteit fan it skom waard lykwols waarnommen, om't it fluktuearre tusken de steat fan folsleine loftminging en de steat fan loftfolumekontrôle, wat resultearre yn ynkonsistente folumekontrôle. Dizze ynstabiliteit brocht ûnwissichheid yn 'e berekkeningen, en dêrom waard dit folumeberik net opnommen yn dizze stúdzje.
De tichtheid \(\:\rho\:\) fan in hydrogel-skuim wurdt berekkene troch it mjitten fan de massa \(\:m\) en it folume \(\:V\) fan in hydrogel-skuimmonster.
Optyske mikroskopyske ôfbyldings fan hydrogelskuimen waarden krigen mei in Zeiss Axio Observer A1-kamera. ImageJ-software waard brûkt om it oantal en de grutteferdieling fan poaren yn in stekproef yn in bepaald gebiet te berekkenjen op basis fan 'e krigen ôfbyldings. De poarfoarm wurdt oannommen as sirkelfoarmich.
Om de meganyske eigenskippen fan 'e alginaathydrogel-skuimen te bestudearjen, waarden uniaxiale kompresjetests útfierd mei in TESTRESOURCES 100-searje masine. De samples waarden yn rjochthoekige blokken snien en de blokôfmjittings waarden metten om de spanningen en rekken te berekkenjen. De krúskopsnelheid waard ynsteld op 10 mm/min. Trije samples waarden foar elk sample hifke en it gemiddelde en de standertôfwiking waarden berekkene út 'e resultaten. Dizze stúdzje rjochte him op 'e kompresjemeganyske eigenskippen fan 'e alginaathydrogel-skuimen, om't it longweefsel yn in bepaald stadium fan 'e sykhelsyklus ûnderwurpen wurdt oan kompresjekrêften. De útwreidberens is fansels krúsjaal, foaral om it folsleine dynamyske gedrach fan it longweefsel te reflektearjen en dit sil ûndersocht wurde yn takomstige stúdzjes.
De tariede hydrogel-foammonsters waarden skend op in Siemens SOMATOM Drive dûbelkanaals CT-scanner. De scanparameters waarden as folget ynsteld: 40 mAs, 120 kVp en 1 mm plakdikte. De resultearjende DICOM-bestannen waarden analysearre mei de MicroDicom DICOM Viewer-software om de HU-wearden fan 5 dwerssneden fan elk monster te analysearjen. De HU-wearden dy't troch CT waarden krigen, waarden fergelike mei teoretyske berekkeningen basearre op de tichtheidsgegevens fan 'e monsters.
It doel fan dizze stúdzje is om de fabrikaazje fan yndividuele oargelmodellen en keunstmjittige biologyske weefsels te revolúsjonearjen troch sêfte materialen te konstruearjen. It ûntwikkeljen fan materialen mei meganyske en radiologyske eigenskippen dy't oerienkomme mei de wurkmeganika fan minsklike longen is wichtich foar rjochte tapassingen lykas it ferbetterjen fan medyske training, sjirurgyske planning en planning fan strielingstherapy. Yn figuer 1A hawwe wy de diskrepânsje yn kaart brocht tusken de meganyske en radiologyske eigenskippen fan sêfte materialen dy't nei alle gedachten brûkt wurde om minsklike longmodellen te meitsjen. Oant no ta binne materialen ûntwikkele dy't de winske radiologyske eigenskippen fertoane, mar har meganyske eigenskippen foldogge net oan de winske easken. Polyurethaanskuim en rubber binne de meast brûkte materialen foar it meitsjen fan deformearbere minsklike longmodellen. De meganyske eigenskippen fan polyurethaanskuim (Young's modulus, YM) binne typysk 10 oant 100 kear grutter as dy fan normaal minsklik longweefsel. Materialen dy't sawol de winske meganyske as radiologyske eigenskippen fertoane binne noch net bekend.
(A) Skematyske werjefte fan 'e eigenskippen fan ferskate sêfte materialen en ferliking mei minsklike longen yn termen fan tichtens, Young's modulus en radiologyske eigenskippen (yn HU). (B) Röntgendiffraksjepatroan fan \(\:\mu\:/\rho\:\) alginaathydrogel mei in konsintraasje fan 5% en in Ca2+:-COOH molferhâlding fan 0.18. (C) Berik fan loftfolumeferhâldingen yn hydrogelskuimen. (D) Skematyske werjefte fan alginaathydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen.
De elemintêre gearstalling fan alginaathydrogels mei in konsintraasje fan 5% en in Ca2+:-COOH molferhâlding fan 0.18 waard berekkene, en de resultaten wurde werjûn yn tabel 3. Neffens de optelregel yn 'e foarige formule (5) wurdt de massa-attenuaasjekoëffisjint fan alginaathydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) krigen lykas werjûn yn figuer 1B.
De \(\:\mu\:/\rho\:\) wearden foar loft en wetter waarden direkt krigen út 'e NIST 12612 noarmen referinsjedatabase. Sa lit figuer 1C de berekkene loftfolumeferhâldingen sjen yn hydrogelskuimen mei HU-ekwivalinte wearden tusken -600 en -700 foar de minsklike long. De teoretysk berekkene loftfolumeferhâlding is stabyl binnen 60–70% yn it enerzjyberik fan 1 × 10−3 oant 2 × 101 MeV, wat in goed potinsjeel oanjout foar de tapassing fan hydrogelskuim yn downstream produksjeprosessen.
Figuer 1D lit it taret alginaat hydrogel skommonster sjen. Alle monsters waarden yn blokjes snien mei in rânelingte fan 12,7 mm. De resultaten lieten sjen dat in homogeen, trijediminsjonaal stabyl hydrogel skom foarme waard. Nettsjinsteande de loftfolumeferhâlding waarden gjin wichtige ferskillen yn it uterlik fan 'e hydrogel skom waarnommen. De selsstannige aard fan it hydrogel skom suggerearret dat it netwurk dat binnen de hydrogel foarme wurdt sterk genôch is om it gewicht fan it skom sels te dragen. Utsein in lytse hoemannichte wetterlekkage út it skom, liet it skom ek tydlike stabiliteit sjen foar ferskate wiken.
Troch it mjitten fan 'e massa en it folume fan it skommonster waard de tichtheid fan it taret hydrogel-skom \(\:\rho\:\) berekkene, en de resultaten wurde werjûn yn tabel 4. De resultaten litte de ôfhinklikens fan \(\:\rho\:\) fan 'e folumeferhâlding fan loft sjen. As genôch loft mingd wurdt mei 50 ml fan it monster, wurdt de tichtheid it leechst en is 0,482 g/cm3. As de hoemannichte mingde loft ôfnimt, nimt de tichtheid ta nei 0,685 g/cm3. De maksimale p-wearde tusken de groepen fan 50 ml, 100 ml en 110 ml wie 0,004 < 0,05, wat de statistyske betsjutting fan 'e resultaten oanjout.
De teoretyske wearde \(\:\rho\:\) wurdt ek berekkene mei de kontroleare loftfolumeferhâlding. De mjitten resultaten litte sjen dat \(\:\rho\:\) 0.1 g/cm³ lytser is as de teoretyske wearde. Dit ferskil kin ferklearre wurde troch de ynterne spanning dy't yn 'e hydrogel generearre wurdt tidens it gelaasjeproses, wat swelling feroarsaket en sa liedt ta in ôfname fan \(\:\rho\:\). Dit waard fierder befêstige troch de observaasje fan guon gatten yn it hydrogelskuim yn 'e CT-ôfbyldings werjûn yn figuer 2 (A, B en C).
Optyske mikroskopyôfbyldings fan hydrogelskuimen mei ferskillende loftfolume-ynhâld (A) 50, (B) 100, en (C) 110. Selnûmers en poargrutteferdieling yn alginaathydrogelskuimmonsters (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figuer 3 (A, B, C) lit de optyske mikroskoopôfbyldings sjen fan 'e hydrogelskuimmonsters mei ferskillende loftfolumeferhâldingen. De resultaten demonstrearje de optyske struktuer fan it hydrogelskuim, wêrby't dúdlik de ôfbyldings fan poaren mei ferskillende diameters te sjen binne. De ferdieling fan poarjenûmer en diameter waard berekkene mei ImageJ. Seis ôfbyldings waarden makke foar elk monster, elke ôfbylding hie in grutte fan 1125,27 μm × 843,96 μm, en it totale analysearre gebiet foar elk monster wie 5,7 mm².
(A) Kompresjespanning-rekgedrach fan alginaathydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen. (B) Eksponinsjele fit. (C) Kompresje E0 fan hydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen. (D) Ultimative kompresjespanning en rek fan alginaathydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen.
Figuer 3 (D, E, F) lit sjen dat de poargrutteferdieling relatyf unifoarm is, fariearjend fan tsientallen mikrometers oant sawat 500 mikrometers. De poargrutte is yn prinsipe unifoarm, en nimt wat ôf as it luchtvolume ôfnimt. Neffens de testgegevens is de gemiddelde poargrutte fan it 50 ml-monster 192,16 μm, de mediaan is 184,51 μm, en it oantal poaren per ienheidsoppervlakte is 103; de gemiddelde poargrutte fan it 100 ml-monster is 156,62 μm, de mediaan is 151,07 μm, en it oantal poaren per ienheidsoppervlakte is 109; de oerienkommende wearden fan it 110 ml-monster binne respektivelik 163,07 μm, 150,29 μm en 115. De gegevens litte sjen dat de gruttere poaren in gruttere ynfloed hawwe op 'e statistyske resultaten fan' e gemiddelde poargrutte, en de mediane poargrutte kin de feroaringstrend fan 'e poargrutte better reflektearje. As it folume fan 'e stekproef tanimt fan 50 ml nei 110 ml, nimt it oantal poaren ek ta. Troch de statistyske resultaten fan mediane poardiameter en poarnûmer te kombinearjen, kin konkludearre wurde dat mei tanimmend folume mear poaren fan lytsere grutte yn 'e stekproef foarme wurde.
De meganyske testgegevens wurde werjûn yn figueren 4A en 4D. Figuer 4A lit it kompresjespanning-rekgedrach sjen fan 'e taret hydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen. De resultaten litte sjen dat alle samples in ferlykber net-lineair spanning-rekgedrach hawwe. Foar elk sample nimt de spanning rapper ta mei tanimmende spanning. In eksponensjele kromme waard oanpast oan it kompresjespanning-rekgedrach fan it hydrogelskuim. Figuer 4B lit de resultaten sjen nei it tapassen fan 'e eksponensjele funksje as in benaderingsmodel op it hydrogelskuim.
Foar de hydrogel-skuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen waard harren kompresjemodulus (E0) ek bestudearre. Lykas by de analyze fan 'e hydrogels waard de kompresjemodulus fan Young ûndersocht yn it berik fan 20% inisjele spanning. De resultaten fan 'e kompresjetests wurde werjûn yn figuer 4C. De resultaten yn figuer 4C litte sjen dat as de loftfolumeferhâlding ôfnimt fan stekproef 50 nei stekproef 110, de kompresjemodulus fan Young E0 fan it alginaathydrogel-skuim tanimt fan 10,86 kPa nei 18 kPa.
Op deselde wize waarden de folsleine spanning-rek-krommen fan 'e hydrogel-skuimen, lykas de úteinlike kompresjespanning en rekwearden, krigen. Figuer 4D lit de úteinlike kompresjespanning en rek fan 'e alginaathydrogel-skuimen sjen. Elk gegevenspunt is it gemiddelde fan trije testresultaten. De resultaten litte sjen dat de úteinlike kompresjespanning tanimt fan 9,84 kPa nei 17,58 kPa mei ôfnimmende gasynhâld. De úteinlike rek bliuwt stabyl op sawat 38%.
Figuer 2 (A, B, en C) lit de CT-ôfbyldings sjen fan hydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen dy't oerienkomme mei de samples 50, 100, en 110, respektivelik. De ôfbyldings litte sjen dat it foarme hydrogelskuim hast homogeen is. In lyts oantal gatten waarden waarnommen yn samples 100 en 110. De foarming fan dizze gatten kin te tankjen wêze oan de ynterne spanning dy't ûntstiet yn 'e hydrogel tidens it gelaasjeproses. Wy hawwe de HU-wearden berekkene foar 5 dwerssneden fan elk sample en se neamd yn Tabel 5 tegearre mei de oerienkommende teoretyske berekkeningsresultaten.
Tabel 5 lit sjen dat de samples mei ferskillende loftfolumeferhâldingen ferskillende HU-wearden krigen. De maksimale p-wearde tusken de groepen 50 ml, 100 ml en 110 ml wie 0.004 < 0.05, wat de statistyske betsjutting fan 'e resultaten oanjout. Fan 'e trije testen samples hie it sample mei 50 ml mingsel de radiologyske eigenskippen dy't it tichtst by dy fan minsklike longen kamen. De lêste kolom fan Tabel 5 is it resultaat krigen troch teoretyske berekkening basearre op 'e mjitten skomwearde \(\:\rho\:\). Troch de mjitten gegevens te fergelykjen mei de teoretyske resultaten, kin fûn wurde dat de HU-wearden krigen troch CT-scan oer it algemien ticht by de teoretyske resultaten lizze, wat op syn beurt de resultaten fan 'e berekkening fan 'e loftfolumeferhâlding yn figuer 1C befêstiget.
It wichtichste doel fan dizze stúdzje is om in materiaal te meitsjen mei meganyske en radiologyske eigenskippen dy't te fergelykjen binne mei dy fan minsklike longen. Dit doel waard berikt troch it ûntwikkeljen fan in materiaal op basis fan hydrogel mei oanpaste weefsel-ekwivalente meganyske en radiologyske eigenskippen dy't sa ticht mooglik by dy fan minsklike longen lizze. Begelaat troch teoretyske berekkeningen waarden hydrogelskuimen mei ferskillende loftfolumeferhâldingen taret troch it meganysk mingen fan natriumalginaatoplossing, CaCO3, GDL en SLES 70. Morfologyske analyze liet sjen dat in homogeen trijediminsjonaal stabyl hydrogelskuim foarme waard. Troch de loftfolumeferhâlding te feroarjen, kinne de tichtens en porositeit fan it skuim nei wille farieare wurde. Mei de tanimming fan it loftfolumegehalte nimt de poargrutte wat ôf en nimt it oantal poaren ta. Kompresjetests waarden útfierd om de meganyske eigenskippen fan 'e alginaathydrogelskuimen te analysearjen. De resultaten lieten sjen dat de kompresjemodulus (E0) dy't krigen waard út 'e kompresjetests yn it ideale berik leit foar minsklike longen. E0 nimt ta as de loftfolumeferhâlding ôfnimt. De wearden fan 'e radiologyske eigenskippen (HU) fan 'e taret samples waarden krigen op basis fan 'e CT-gegevens fan 'e samples en fergelike mei de resultaten fan teoretyske berekkeningen. De resultaten wiene geunstich. De mjitten wearde leit ek tichtby de HU-wearde fan minsklike longen. De resultaten litte sjen dat it mooglik is om weefsel-imitearjende hydrogel-skuimen te meitsjen mei in ideale kombinaasje fan meganyske en radiologyske eigenskippen dy't de eigenskippen fan minsklike longen imitearje.
Nettsjinsteande de beloftefolle resultaten moatte de hjoeddeiske fabrikaazjemetoaden ferbettere wurde om de loftfolumeferhâlding en porositeit better te kontrolearjen om oerien te kommen mei foarsizzingen út teoretyske berekkeningen en echte minsklike longen op sawol wrâldwide as lokale skaal. De hjoeddeiske stúdzje is ek beheind ta it testen fan 'e kompresjemeganika, wat de potensjele tapassing fan it fantoom beheint ta de kompresjefaze fan 'e respiratoire syklus. Takomstich ûndersyk soe profitearje fan it ûndersykjen fan treksterktetests, lykas de algemiene meganyske stabiliteit fan it materiaal om potensjele tapassingen ûnder dynamyske ladingsomstannichheden te beoardieljen. Nettsjinsteande dizze beheiningen markearret de stúdzje de earste suksesfolle poging om radiologyske en meganyske eigenskippen te kombinearjen yn ien materiaal dat de minsklike long neimakket.
De datasets dy't generearre en/of analysearre binne tidens de hjoeddeiske stúdzje binne op ridlik fersyk beskikber fan 'e oerienkommende auteur. Sawol eksperiminten as datasets binne reprodusearber.
Song, G., et al. Nije nanotechnologyen en avansearre materialen foar kankerstrielingstherapy. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapport fan 'e AAPM 76a Task Force oer Respiratoire Bewegingsbehear yn Stralingsûnkology. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., en Brock, KK Modellering fan 'e ynterface- en materiaal-nonlineariteiten yn 'e minsklike long. Natuerkunde en medisinen en biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumor-eftich longkankermodel generearre troch 3D bioprinting. 3. Biotechnology. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellering fan longdeformaasje: in metoade dy't deformearbere ôfbyldingsregistraasjetechniken kombinearret en romtlik fariearjende Young's modulusskatting. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Styfheid fan libbend weefsel en de gefolgen dêrfan foar weefseltechnyk. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).