Merci fir Äre Besuch op nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech déi lescht Browserversioun ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, enthält dës Säit keng Stiler oder JavaScript.
D'Beweegung vun Organer a Gewëss kann zu Feeler bei der Positionéierung vun Röntgenstrahlen während der Radiotherapie féieren. Dofir si Materialien mat gewebeäquivalente mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte gebraucht, fir d'Organbewegung fir d'Optimiséierung vun der Radiotherapie ze imitéieren. D'Entwécklung vun esou Materialien bleift awer eng Erausfuerderung. Alginathydrogelen hunn Eegeschafte ähnlech wéi déi vun der extrazellulärer Matrix, wat se villverspriechend als gewebeäquivalent Materialien mécht. An dëser Studie goufen Alginathydrogel-Schaum mat gewënschten mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte duerch in situ Ca2+-Fräisetzung synthetiséiert. D'Loft-zu-Volumen-Verhältnis gouf suergfälteg kontrolléiert fir Hydrogel-Schaum mat definéierte mechaneschen a radiologeschen Eegeschaften ze kréien. D'Makro- a Mikromorphologie vun de Materialien goufen charakteriséiert, an d'Verhale vun den Hydrogel-Schaum ënner Kompressioun gouf ënnersicht. Déi radiologesch Eegeschafte goufen theoretesch geschat an experimentell mat Computertomographie verifizéiert. Dës Studie beliicht déi zukünfteg Entwécklung vu gewebeäquivalente Materialien, déi fir d'Optimiséierung vun der Stralendosis a Qualitéitskontroll während der Radiotherapie kënne benotzt ginn.
Straletherapie ass eng üblech Behandlung fir Kriibs1. D'Beweegung vun Organer a Gewëss féiert dacks zu Feeler bei der Positionéierung vun Röntgenstrahlen während der Straletherapie2, wat zu enger Ënnerbehandlung vum Tumor an enger Iwwerbelaaschtung vun den ëmleiende gesonde Zellen duerch onnéideg Stralung féiere kann. D'Fäegkeet, d'Beweegung vun Organer a Gewëss virauszesoen, ass entscheedend fir d'Tumorlokaliséierungsfeeler ze minimiséieren. Dës Studie huet sech op d'Lunge konzentréiert, well se bedeitend Deformatiounen a Beweegunge maachen, wa Patienten während der Straletherapie ootmen. Verschidde Finite-Element-Modeller goufen entwéckelt an ugewannt fir d'Bewegung vu mënschleche Longen3,4,5 ze simuléieren. Wéi och ëmmer, mënschlech Organer a Gewëss hunn komplex Geometrien a si staark patientenofhängeg. Dofir si Materialien mat gewebeäquivalente Eegeschafte ganz nëtzlech fir d'Entwécklung vu physikalesche Modeller fir theoretesch Modeller ze validéieren, eng verbessert medizinesch Behandlung ze erliichteren a fir medizinesch Ausbildungszwecker.
D'Entwécklung vu Materialien, déi mëllt Gewëss imitéieren, fir komplex extern an intern strukturell Geometrien z'erreechen, huet vill Opmierksamkeet op sech gezunn, well hir inherent mechanesch Inkonsistenzen zu Feeler bei Zilanwendungen féiere kënnen6,7. D'Modeléierung vun der komplexer Biomechanik vum Lungengewebe, déi extrem Weichheet, Elastizitéit a strukturell Porositéit kombinéiert, stellt eng bedeitend Erausfuerderung bei der Entwécklung vu Modeller duer, déi d'mënschlech Long genee reproduzéieren. D'Integratioun an d'Upassung vu mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte si kritesch fir déi effektiv Leeschtung vu Lungenmodeller an therapeuteschen Interventiounen. Additiv Fabrikatioun huet sech als effektiv bei der Entwécklung vu patientenspezifesche Modeller erwisen, wat eng séier Prototypiséierung vu komplexen Designen erméiglecht. Shin et al.8 hunn e reproduzéierbart, deforméierbart Lungenmodell mat 3D-gedréckten Loftweeër entwéckelt. Haselaar et al.9 hunn e Phantom entwéckelt, dat staark mat echte Patienten ähnlech ass, fir d'Bewäertung vun der Bildqualitéit a Positiounsverifizéierungsmethoden fir Radiotherapie. Hong et al10 hunn e Broscht-CT-Modell mat 3D-Dréck a Silikongusstechnologie entwéckelt, fir d'CT-Intensitéit vu verschiddene Lungenläsiounen ze reproduzéieren, fir d'Genauegkeet vun der Quantifizéierung ze evaluéieren. Dës Prototypen ginn awer dacks aus Materialien hiergestallt, deenen hir effektiv Eegeschafte ganz anescht sinn wéi déi vum Lungengewebe11.
Aktuell sinn déi meescht Longephantomen aus Silikon oder Polyurethan-Schaum gemaach, déi net de mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte vu richtege Longeparenchym entspriechen.12,13 Alginat-Hydrogelen si biokompatibel a gi wéinst hiren ofstëmmenden mechaneschen Eegeschafte wäit verbreet an der Tissue Engineering agesat.14 Wéi och ëmmer, d'Reproduzéiere vun der ultra-mëller, schaumähnlecher Konsistenz, déi fir e Longephantom erfuerderlech ass, deen d'Elastizitéit an d'Fëllstruktur vum Longegewebe genee imitéiert, bleift eng experimentell Erausfuerderung.
An dëser Studie gouf ugeholl, datt d'Lungengewebe en homogenen elastesche Material ass. D'Dicht vum mënschleche Lungengewebe (\(\:\rho\:\)) gëtt mat 1,06 g/cm3 uginn, an d'Dicht vun der opgeblosender Long ass 0,26 g/cm315. E breede Spektrum vu Young-Modul-Wäerter (MY) vum Lungengewebe gouf mat verschiddenen experimentellen Methoden erhalen. Lai-Fook et al. 16 hunn den YM vun der mënschlecher Long mat gläichméisseger Inflatioun op 0,42–6,72 kPa gemooss. Goss et al. 17 hunn Magnéitresonanz-Elastographie benotzt an en YM vun 2,17 kPa gemellt. Liu et al. 18 hunn en direkt gemoossene YM vun 0,03–57,2 kPa gemellt. Ilegbusi et al. 19 hunn den YM op 0,1–2,7 kPa geschat, baséiert op 4D-CT-Donnéeën, déi vun ausgewählte Patienten kritt goufen.
Fir déi radiologesch Eegeschafte vun der Long ginn e puer Parameter benotzt fir d'Interaktiounsverhale vum Longengewebe mat Röntgenstralen ze beschreiwen, dorënner d'Elementarzesummesetzung, d'Elektronedicht (\(\:{\rho\:}_{e}\)), d'effektiv Atomzuel (\(\:{Z}_{eff}\)), d'mëttel Anregungsenergie (\(\:I\)), de Massendämpfungskoeffizient (\:\:\:/\rho\:\)) an d'Hounsfield-Eenheet (HU), déi direkt mat \(\:\:\:/\rho\:\) zesummenhänkt.
D'Elektronendicht \(\:{\rho\:}_{e}\) ass definéiert als d'Zuel vun den Elektronen pro Volumeneenheet a gëtt wéi follegt berechent:
woubei \(\:\rho\:\) d'Dicht vum Material a g/cm3 ass, \(\:{N}_{A}\) d'Avogadro-Konstant ass, \(\:{w}_{i}\) de Massenundeel ass, \(\:{Z}_{i}\) d'Atomzuel ass, an \(\:{A}_{i}\) d'Atomgewiicht vum i-ten Element ass.
D'Atomzuel hänkt direkt mat der Natur vun der Stralungsinteraktioun am Material zesummen. Fir Verbindungen a Mëschungen, déi verschidden Elementer enthalen (z.B. Stoffer), muss déi effektiv Atomzuel \(\:{Z}_{eff}\) berechent ginn. D'Formel gouf vum Murthy et al. 20 virgeschloen:
Déi duerchschnëttlech Anregungsenergie \(\:I\) beschreift, wéi liicht d'Zilmaterial déi kinetesch Energie vun den duerchdréngende Partikelen absorbéiert. Si beschreift nëmmen d'Eegeschafte vum Zilmaterial an huet näischt mat den Eegeschafte vun de Partikelen ze dinn. \(\:I\) kann duerch d'Uwendung vun der Bragg-Additivitéitsregel berechent ginn:
De Massendämpfungskoeffizient \(\:\mu\:/\rho\:\) beschreift d'Penetratioun an d'Energiefräisetzung vu Photonen am Zilmaterial. E kann mat der folgender Formel berechent ginn:
Woubei \(\:x\) d'Déckt vum Material ass, \(\:{I}_{0}\) d'Intensitéit vum afalenden Liicht ass, an \(\:I\) d'Photonintensitéit no der Penetratioun an d'Material ass. \(\:\mu\:/\rho\:\) Daten kënnen direkt aus der NIST 12621 Standards Reference Database kritt ginn. \(\:\:\:/\rho\:\) Wäerter fir Mëschungen a Verbindungen kënnen mat der Additivitéitsregel ofgeleet ginn, wéi follegt:
HU ass eng standardiséiert dimensiounslos Moosseenheet vun der Radiodicht bei der Interpretatioun vun Computertomographie- (CT)-Donnéeën, déi linear aus dem gemoossenen Dämpfungskoeffizient \(\:\mu\:\) transforméiert gëtt. Si ass definéiert wéi:
woubei \(\:{\mu\:}_{Waasser}\) den Dämpfungskoeffizient vum Waasser ass, an \(\:{\mu\:}_{Loft}\) den Dämpfungskoeffizient vun der Loft ass. Dofir gesi mer aus der Formel (6), datt den HU-Wäert vum Waasser 0 ass, an den HU-Wäert vun der Loft -1000 ass. Den HU-Wäert fir mënschlech Longen läit tëscht -600 an -70022.
Verschidde Gewebe-Äquivalentmaterialien goufen entwéckelt. Griffith et al. 23 hunn e Gewebe-Äquivalentmodell vum mënschlechen Torso aus Polyurethan (PU) entwéckelt, zu deem verschidde Konzentratioune vu Kalziumkarbonat (CaCO3) bäigefüügt goufen, fir déi linear Dämpfungskoeffizienten vu verschiddene mënschlechen Organer, dorënner déi mënschlech Long, ze simuléieren, an de Modell krut den Numm Griffith. Taylor24 huet en zweete Lungengewebe-Äquivalentmodell presentéiert, deen vum Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwéckelt gouf, mam Numm LLLL1. Traub et al.25 hunn en neien Lungengewebe-Ersatz mat Foamex XRS-272 entwéckelt, deen 5,25% CaCO3 als Leeschtungsverbesserer enthält, deen ALT2 genannt gouf. D'Tabellen 1 an 2 weisen e Verglach vun \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) an de Massendämpfungskoeffizienten fir déi mënschlech Long (ICRU-44) an déi uewe genannte Gewebe-Äquivalentmodeller.
Trotz den exzellenten radiologeschen Eegeschaften, déi erreecht goufen, si bal all Phantommaterialien aus Polystyrol-Schaum gemaach, dat heescht, datt d'mechanesch Eegeschafte vun dëse Materialien net un déi vun de mënschleche Longe kommen kënnen. De Young-Modul (YM) vum Polyurethan-Schaum ass ongeféier 500 kPa, wat wäit ewech vun Ideal ass am Verglach mat normale mënschleche Longen (ongeféier 5-10 kPa). Dofir ass et néideg, en neit Material z'entwéckelen, dat de mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte vun echte mënschleche Longen erfëlle kann.
Hydrogelen gi wäit verbreet an der Tissue Engineering benotzt. Seng Struktur an Eegeschafte sinn ähnlech wéi déi vun der extrazellulärer Matrix (ECM) a si liicht justierbar. An dëser Studie gouf rengt Natriumalginat als Biomaterial fir d'Virbereedung vu Schaumstoffe gewielt. Alginathydrogelen si biokompatibel a gi wäit verbreet an der Tissue Engineering benotzt wéinst hiren justierbaren mechaneschen Eegeschaften. Déi elementar Zesummesetzung vum Natriumalginat (C6H7NaO6)n an d'Präsenz vu Ca2+ erlaben et, seng radiologesch Eegeschafte no Bedarf unzepassen. Dës Kombinatioun vun justierbaren mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte mécht Alginathydrogelen ideal fir eis Studie. Natierlech hunn Alginathydrogelen och Aschränkungen, besonnesch wat d'Laangzäitstabilitéit während simuléierten Atmungszyklen ugeet. Dofir si weider Verbesserungen néideg an an zukünftege Studien erwaart, fir dës Aschränkungen ze adresséieren.
An dëser Aarbecht hu mir en Alginat-Hydrogel-Schaummaterial mat kontrolléierbare Rho-Wäerter, Elastizitéit a radiologeschen Eegeschaften entwéckelt, déi ähnlech wéi déi vum mënschleche Longengewebe sinn. Dës Studie wäert eng allgemeng Léisung fir d'Fabrikatioun vu gewebeähnleche Phantomer mat ofstëmmenden elasteschen a radiologeschen Eegeschafte bidden. D'Materialeegeschafte kënnen einfach op all mënschlecht Gewief an Organ ugepasst ginn.
D'Zilverhältnis vu Loft zu Volumen vum Hydrogel-Schaum gouf op Basis vum HU-Beräich vun de mënschleche Longen (-600 bis -700) berechent. Et gouf ugeholl, datt de Schaum eng einfach Mëschung aus Loft a syntheteschen Alginat-Hydrogel wier. Mat enger einfacher Additiounsregel vun den eenzelnen Elementer _(\:\mu\:/\rho\:\) konnt de Volumenundeel vun der Loft an d'Volumenverhältnis vum synthetiséierten Alginat-Hydrogel berechent ginn.
Alginat-Hydrogel-Schaum goufe mat Natriumalginat (Artikelnummer W201502), CaCO3 (Artikelnummer 795445, MW: 100,09) a GDL (Artikelnummer G4750, MW: 178,14) vun der Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO, hiergestallt. 70% Natriumlaurylethersulfat (SLES 70) gouf vun der Renowned Trading LLC kaaft. Deioniséiert Waasser gouf am Schaumvirbereedungsprozess benotzt. Natriumalginat gouf an deioniséiertem Waasser bei Raumtemperatur ënner stännegem Réieren (600 rpm) opgeléist, bis eng homogen giel transluzent Léisung kritt gouf. CaCO3 a Kombinatioun mat GDL gouf als Ca2+-Quell benotzt fir d'Geléierung z'initiéieren. SLES 70 gouf als Tensid benotzt fir eng poréis Struktur am Hydrogel ze bilden. D'Alginatkonzentratioun gouf op 5% gehalen an de Ca2+:-COOH-Molverhältnis gouf op 0,18 gehalen. De Molverhältnis CaCO3:GDL gouf och während der Schaumvirbereedung op 0,5 gehalen, fir e neutralen pH-Wäert ze halen. De Wäert ass 26,2 Volumen-% SLES 70 gouf zu all Prouwe bäigefüügt. E Becherglas mat engem Deckel gouf benotzt fir de Mëschverhältnis vun der Léisung an der Loft ze kontrolléieren. De Gesamtvolumen vum Becherglas war 140 ml. Baséierend op den theoretesche Berechnungsresultater goufen ënnerschiddlech Volumen vun der Mëschung (50 ml, 100 ml, 110 ml) an de Becherglas bäigefüügt fir mat Loft ze vermëschen. D'Prouf mat 50 ml vun der Mëschung gouf sou konzipéiert, datt se mat genuch Loft vermëscht gëtt, während de Loftvolumenverhältnis an den aneren zwou Prouwe kontrolléiert gouf. Als éischt gouf SLES 70 zur Alginatléisung bäigefüügt a mat engem elektresche Rührer geréiert, bis d'Mëschung komplett gemëscht war. Duerno gouf d'CaCO3-Suspension zur Mëschung bäigefüügt a kontinuéierlech geréiert, bis d'Mëschung komplett gemëscht war, ier hir Faarf op wäiss geännert huet. Schlussendlech gouf d'GDL-Léisung zur Mëschung bäigefüügt fir d'Geléierung unzefänken, an de mechanesche Réieren gouf während dem ganze Prozess weidergefouert. Fir d'Prouf mat 50 ml vun der Mëschung gouf dat mechanescht Réieren gestoppt, wéi de Volumen vun der Mëschung opgehalen huet sech z'änneren. Fir d'Prouwe mat 100 ml an 110 ml vun der Mëschung gouf dat mechanescht Réieren gestoppt, wéi d'Mëschung de Becherglas gefëllt huet. Mir hunn och probéiert, Hydrogel-Schaum mat engem Volumen tëscht 50 ml an 100 ml ze preparéieren. Wéi och ëmmer, gouf eng strukturell Instabilitéit vum Schaum observéiert, well en tëscht dem Zoustand vun der kompletter Loftmëschung an dem Zoustand vun der Loftvolumenkontroll schwankt huet, wat zu enger inkonsequenter Volumenkontroll gefouert huet. Dës Instabilitéit huet Onsécherheet an d'Berechnungen agefouert, an dofir gouf dëse Volumenberäich net an dëser Studie abegraff.
D'Dicht \(\:\rho\:\) vun engem Hydrogel-Schaum gëtt berechent andeems d'Mass \(\:m\) an de Volumen \(\:V\) vun enger Hydrogel-Schaumprobe gemooss ginn.
Optesch mikroskopesch Biller vun Hydrogel-Schaumstoffe goufen mat enger Zeiss Axio Observer A1 Kamera opgeholl. D'ImageJ Software gouf benotzt fir d'Zuel an d'Gréisstverdeelung vu Poren an enger Prouf an engem bestëmmte Beräich op Basis vun de krittene Biller ze berechnen. D'Poreform gëtt als kreesfërmeg ugeholl.
Fir déi mechanesch Eegeschafte vun den Alginat-Hydrogel-Schaumstoffer ze studéieren, goufen uniaxial Kompressiounstester mat enger TESTRESOURCES 100er Serie Maschinn duerchgefouert. D'Prouwe goufen a rechteckeg Blöcke geschnidden an d'Blockdimensioune goufen gemooss fir d'Spannungen an d'Verzéihungen ze berechnen. D'Querschnittsgeschwindegkeet gouf op 10 mm/min festgeluecht. Dräi Prouwe goufen fir all Prouf getest an de Moyenne- an d'Standardofwäichung goufen aus de Resultater berechent. Dës Studie huet sech op déi kompressiv mechanesch Eegeschafte vun den Alginat-Hydrogel-Schaumstoffer konzentréiert, well d'Lungegewebe an enger bestëmmter Phas vum Atmungszyklus Kompressiounskräften ausgesat ass. D'Dehnbarkeet ass natierlech entscheedend, besonnesch fir dat vollstännegt dynamescht Verhalen vum Lungegewebe ze reflektéieren an dëst gëtt a zukünftege Studien ënnersicht.
Déi virbereet Hydrogel-Schaumprouwen goufen op engem Siemens SOMATOM Drive Dual-Channel CT-Scanner gescannt. D'Scanparameter goufen wéi follegt agestallt: 40 mAs, 120 kVp an 1 mm Scheiwedéck. Déi resultéierend DICOM-Dateie goufen mat der MicroDicom DICOM Viewer Software analyséiert fir d'HU-Wäerter vu 5 Querschnitter vun all Prouf ze analyséieren. D'HU-Wäerter, déi duerch CT kritt goufen, goufen mat theoretesche Berechnungen op Basis vun den Dichtdaten vun de Prouwe verglach.
Zil vun dëser Studie ass et, d'Fabrikatioun vun eenzelnen Organmodeller a kënschtleche biologesche Gewëss ze revolutionéieren, andeems mëll Materialien entwéckelt ginn. D'Entwécklung vu Materialien mat mechaneschen a radiologeschen Eegeschaften, déi der Aarbechtsmechanik vun de mënschleche Longen iwwereneestëmmen, ass wichteg fir gezielt Uwendungen, wéi d'Verbesserung vun der medizinescher Ausbildung, der chirurgescher Planung an der Planung vun der Strahlentherapie. An der Figur 1A hu mir d'Diskrepanz tëscht de mechaneschen a radiologeschen Eegeschafte vu mëllen Materialien duergestallt, déi vermeintlech fir d'Fabrikatioun vu mënschleche Longenmodeller benotzt ginn. Bis elo goufen Materialien entwéckelt, déi déi gewënschte radiologesch Eegeschafte weisen, awer hir mechanesch Eegeschafte erfëllen net déi gewënschte Ufuerderungen. Polyurethan-Schaum a Gummi sinn déi am meeschte verbreet Materialien fir d'Fabrikatioun vun deforméierbare mënschleche Longenmodeller. Déi mechanesch Eegeschafte vu Polyurethan-Schaum (Young-Modul, YM) si typescherweis 10 bis 100 Mol méi grouss wéi déi vum normale mënschleche Longengewebe. Materialien, déi souwuel déi gewënschte mechanesch wéi och radiologesch Eegeschafte weisen, sinn nach net bekannt.
(A) Schematesch Duerstellung vun den Eegeschafte vu verschiddene mëllen Materialien a Verglach mat der mënschlecher Long a punkto Dicht, Young-Modul a radiologesch Eegeschaften (an HU). (B) Röntgendiffraktiounsmuster vun \(\:\mu\:/\rho\:\) Alginat-Hydrogel mat enger Konzentratioun vu 5% an engem Ca2+:-COOH-Molverhältnis vun 0,18. (C) Beräich vun de Loftvolumenverhältnisser an Hydrogel-Schaumstoffer. (D) Schematesch Duerstellung vun Alginat-Hydrogel-Schaumstoffer mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser.
Déi elementar Zesummesetzung vun Alginat-Hydrogelen mat enger Konzentratioun vu 5% an engem Ca2+:-COOH-Molverhältnis vun 0,18 gouf berechent, an d'Resultater sinn an der Tabell 3 gewisen. Geméiss der Additiounsregel an der viregter Formel (5) gëtt de Massedämpfungskoeffizient vum Alginat-Hydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) kritt, wéi an der Figur 1B gewisen.
D'\(\:\mu\:/\rho\:\) Wäerter fir Loft a Waasser goufen direkt aus der NIST 12612 Standards Referenzdatebank kritt. Dofir weist Figur 1C déi berechent Loftvolumenverhältnisser an Hydrogel-Schaum mat HU-Äquivalentwäerter tëscht -600 an -700 fir déi mënschlech Long. Dat theoretesch berechent Loftvolumenverhältnis ass stabil tëscht 60–70% am Energieberäich vun 1 × 10−3 bis 2 × 101 MeV, wat op e gutt Potenzial fir d'Uwendung vun Hydrogel-Schaum a weidere Produktiounsprozesser hiweist.
Figur 1D weist déi preparéiert Alginat-Hydrogel-Schaumprouf. All Prouwe goufen a Wierfele mat enger Kantlängt vun 12,7 mm geschnidden. D'Resultater hunn gewisen, datt en homogenen, dräidimensional stabilen Hydrogel-Schaum geformt gouf. Onofhängeg vum Loftvolumenverhältnis goufen keng signifikant Ënnerscheeder am Ausgesinn vun den Hydrogel-Schaum observéiert. Déi selbsthalend Natur vum Hydrogel-Schaum léisst dovun ausgoen, datt d'Netzwierk, dat am Hydrogel geformt gëtt, staark genuch ass, fir d'Gewiicht vum Schaum selwer ze droen. Ofgesi vun enger klenger Quantitéit u Waasserleckage aus dem Schaum huet de Schaum och eng transient Stabilitéit fir e puer Wochen gewisen.
Duerch d'Miessung vun der Mass a vum Volumen vun der Schaumprouf gouf d'Dicht vum preparéierte Hydrogel-Schaum berechent, an d'Resultater sinn an der Tabell 4 gewisen. D'Resultater weisen d'Ofhängegkeet vun _(_:\rho\:\) vum Volumenverhältnis vun der Loft. Wann genuch Loft mat 50 ml vun der Prouf gemëscht gëtt, gëtt d'Dicht am niddregsten a läit bei 0,482 g/cm3. Wann d'Quantitéit vun der gemëschter Loft ofhëlt, klëmmt d'Dicht op 0,685 g/cm3. De maximale p-Wäert tëscht de Gruppe vu 50 ml, 100 ml an 110 ml war 0,004 < 0,05, wat op déi statistesch Signifikanz vun de Resultater hiweist.
Den theoretesche Wäert \(\:\rho\:\) gëtt och mat Hëllef vum kontrolléierte Loftvolumenverhältnis berechent. Déi gemoosse Resultater weisen, datt \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ méi kleng ass wéi den theoretesche Wäert. Dësen Ënnerscheed kann duerch déi intern Spannung erkläert ginn, déi am Hydrogel während dem Gelierungsprozess generéiert gëtt, wat zu enger Schwellung féiert an domat zu enger Ofsenkung vun \(\:\rho\:\). Dëst gouf weider bestätegt duerch d'Observatioun vun e puer Lächer am Hydrogel-Schaum an den CT-Biller, déi an der Figur 2 (A, B an C) gewisen sinn.
Optesch Mikroskopie-Biller vun Hydrogel-Schaum mat ënnerschiddlechem Loftvolumengehalt (A) 50, (B) 100 an (C) 110. Zellzuelen a Poregréisstverdeelung an Alginat-Hydrogel-Schaumprouwen (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figur 3 (A, B, C) weist d'optesch Mikroskopbiller vun den Hydrogel-Schaumprouwen mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser. D'Resultater demonstréieren déi optesch Struktur vum Hydrogel-Schaum a weisen däitlech d'Biller vu Poren mat verschiddenen Duerchmiesser. D'Verdeelung vun der Porenzuel an dem Duerchmiesser gouf mat ImageJ berechent. Fir all Prouf goufen sechs Biller gemaach, all Bild hat eng Gréisst vun 1125,27 μm × 843,96 μm, an déi total analyséiert Fläch fir all Prouf war 5,7 mm².
(A) Verhalen vun der Kompressiounsspannung a Verformung vun Alginat-Hydrogel-Schaumstoffe mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser. (B) Exponentiell Upassung. (C) Kompressiouns-E0 vun Hydrogel-Schaumstoffe mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser. (D) Maximal Kompressiounsspannung a Verformung vun Alginat-Hydrogel-Schaumstoffe mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser.
Figur 3 (D, E, F) weist, datt d'Poregréisstverdeelung relativ gläichméisseg ass, a vun Zénger Mikrometer bis ongeféier 500 Mikrometer reecht. D'Poregréisst ass am Fong gläichméisseg a hëlt liicht of, wa méi Loft verbraucht gëtt. No den Testdaten ass déi duerchschnëttlech Poregréisst vun der 50 ml Prouf 192,16 μm, de Median ass 184,51 μm an d'Zuel vun de Poren pro Flächeneenheet ass 103; déi duerchschnëttlech Poregréisst vun der 100 ml Prouf ass 156,62 μm, de Median ass 151,07 μm an d'Zuel vun de Poren pro Flächeneenheet ass 109; déi entspriechend Wäerter vun der 110 ml Prouf sinn 163,07 μm, 150,29 μm respektiv 115. D'Donnéeë weisen, datt déi méi grouss Poren e gréisseren Afloss op déi statistesch Resultater vun der duerchschnëttlecher Poregréisst hunn, an d'Median Poregréisst kann den Trend vun der Ännerung vun der Poregréisst besser reflektéieren. Wann de Proufvolumen vun 50 ml op 110 ml eropgeet, klëmmt och d'Zuel vun de Poren. Wann een déi statistesch Resultater vum mediane Porenduerchmiesser an der Porenzuel kombinéiert, kann een dovun ausgoen, datt mat zouhuelendem Volumen méi Poren vu méi klenger Gréisst an der Prouf geformt ginn.
Déi mechanesch Testdaten sinn an de Figuren 4A an 4D gewisen. Figur 4A weist d'Verhale vun der Kompressiounsspannung-Dehnung vun den preparéierten Hydrogel-Schaum mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser. D'Resultater weisen, datt all Proben en ähnlecht netlineart Spannungs-Dehnungsverhalen hunn. Fir all Prouf klëmmt d'Spannung méi séier mat zouhuelender Dehnung. Eng exponentiell Kurve gouf dem Verhale vun der Kompressiounsspannung-Dehnung vum Hydrogel-Schaum ugepasst. Figur 4B weist d'Resultater nodeems d'Exponentiellfunktioun als Approximatiounsmodell op den Hydrogel-Schaum ugewannt gouf.
Fir d'Hydrogel-Schaum mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser gouf och hire Kompressiounsmodul (E0) ënnersicht. Ähnlech wéi d'Analyse vun den Hydrogelen gouf de Kompressiounsmodul am Beräich vun 20% initialer Dehnung ënnersicht. D'Resultater vun de Kompressiounstester sinn an der Figur 4C gewisen. D'Resultater an der Figur 4C weisen, datt wann d'Loftvolumenverhältnis vu Prouf 50 bis Prouf 110 erofgeet, de Kompressiounsmodul E0 vum Alginat-Hydrogel-Schaum vun 10,86 kPa op 18 kPa eropgeet.
Ähnlech goufen déi komplett Spannungs-Dehnungskurven vun den Hydrogel-Schaumstoffer, souwéi déi ultimativ Drockspannungs- a Dehnungswäerter kritt. Figur 4D weist déi ultimativ Drockspannung a Dehnung vun den Alginat-Hydrogel-Schaumstoffer. All Datenpunkt ass den Duerchschnëtt vun dräi Testergebnisse. D'Resultater weisen, datt déi ultimativ Drockspannung vun 9,84 kPa op 17,58 kPa mat ofhuelendem Gasgehalt eropgeet. Déi ultimativ Dehnung bleift stabil bei ongeféier 38%.
Figur 2 (A, B an C) weist d'CT-Biller vun Hydrogel-Schaum mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser, déi de Prouwe 50, 100 respektiv 110 entspriechen. D'Biller weisen, datt de geformte Hydrogel-Schaum bal homogen ass. Eng kleng Zuel vu Lächer goufen an de Prouwe 100 an 110 observéiert. D'Bildung vun dëse Lächer kéint op déi intern Spannung zréckzeféieren sinn, déi am Hydrogel während dem Gelierungsprozess generéiert gëtt. Mir hunn d'HU-Wäerter fir 5 Querschnitter vun all Prouf berechent an se an der Tabell 5 zesumme mat de jeeweilege theoretesche Berechnungsresultater opgezielt.
Tabelle 5 weist, datt d'Prouwe mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser ënnerschiddlech HU-Wäerter erreecht hunn. De maximale p-Wäert tëscht de Gruppen 50 ml, 100 ml an 110 ml war 0,004 < 0,05, wat d'statistesch Signifikanz vun de Resultater ugeet. Ënnert den dräi geteste Prouwe hat d'Prouf mat 50 ml Mëschung déi radiologesch Eegeschaften, déi am nootste bei deene vun de mënschleche Longen leien. Déi lescht Kolonn vun Tabelle 5 ass d'Resultat, dat duerch theoretesch Berechnung baséiert op dem gemoossene Schaumwäert \(\:\rho\:\ kritt gouf. Wann een déi gemoossen Donnéeën mat den theoretesche Resultater vergläicht, kann een feststellen, datt d'HU-Wäerter, déi duerch CT-Scanning kritt goufen, am Allgemengen no bei den theoretesche Resultater leien, wat dann d'Resultater vun der Berechnung vum Loftvolumenverhältnis an der Figur 1C bestätegt.
D'Haaptzil vun dëser Studie ass et, e Material mat mechaneschen a radiologeschen Eegeschaften ze schafen, déi mat deene vun de mënschleche Longen vergläichbar sinn. Dëst Zil gouf erreecht andeems en Hydrogel-baséiert Material mat op Gewebe gläichwäertege mechaneschen a radiologeschen Eegeschaften entwéckelt gouf, déi sou no wéi méiglech un déi vun de mënschleche Longen sinn. Ënner Berécksiichtegung vun theoretesche Berechnungen goufen Hydrogel-Schaum mat verschiddene Loftvolumenverhältnisser hiergestallt andeems Natriumalginatléisung, CaCO3, GDL a SLES 70 mechanesch vermëscht goufen. Morphologesch Analysen hunn gewisen, datt en homogenen dräidimensionalen stabile Hydrogel-Schaum geformt gouf. Duerch d'Ännerung vum Loftvolumenverhältnis kënnen d'Dicht an d'Porositéit vum Schaum no Belieben variéiert ginn. Mat der Erhéijung vum Loftvolumengehalt hëlt d'Poregréisst liicht of an d'Zuel vun de Poren erhéicht sech. Kompressiounstester goufen duerchgefouert fir déi mechanesch Eegeschafte vun den Alginat-Hydrogel-Schaum ze analyséieren. D'Resultater hunn gewisen, datt de Kompressiounsmodul (E0), deen aus de Kompressiounstester kritt gouf, am ideale Beräich fir mënschlech Longen läit. Den E0 klëmmt wann d'Loftvolumenverhältnis ofhëlt. D'Wäerter vun de radiologeschen Eegeschaften (HU) vun de virbereete Prouwe goufen op Basis vun den CT-Donnéeë vun de Prouwe kritt a mat de Resultater vun den theoretesche Berechnungen verglach. D'Resultater ware favorabel. De gemoossene Wäert ass och no beim HU-Wäert vu mënschleche Longen. D'Resultater weisen, datt et méiglech ass, gewebe-imitéierend Hydrogel-Schaum mat enger idealer Kombinatioun vu mechaneschen a radiologeschen Eegeschaften ze kreéieren, déi d'Eegeschafte vu mënschleche Longen imitéieren.
Trotz de villverspriechenden Resultater mussen déi aktuell Fabrikatiounsmethoden verbessert ginn, fir de Loftvolumenverhältnis a Porositéit besser ze kontrolléieren, fir de Prognosen aus theoretesche Berechnungen a realen mënschleche Longen op globaler wéi och lokaler Skala ze entspriechen. Déi aktuell Studie beschränkt sech och op d'Tester vun der Kompressiounsmechanik, wat déi potenziell Uwendung vum Phantom op d'Kompressiounsphase vum Atmungszyklus limitéiert. Zukünfteg Fuerschung géif dovun profitéieren, d'Zuchprüfung souwéi déi allgemeng mechanesch Stabilitéit vum Material z'ënnersichen, fir potenziell Uwendungen ënner dynamesche Belaaschtungsbedingungen ze evaluéieren. Trotz dësen Aschränkungen ass d'Studie den éischten erfollegräiche Versuch, radiologesch a mechanesch Eegeschaften an engem eenzege Material ze kombinéieren, dat d'mënschlech Long imitéiert.
D'Datensätz, déi während der aktueller Studie generéiert an/oder analyséiert goufen, sinn op Ufro vum jeweilegen Auteur verfügbar. Souwuel d'Experimenter wéi och d'Datensätz si reproduzéierbar.
Song, G., et al. Nei Nanotechnologien a fortgeschratt Materialien fir d'Kriibsstrahlungstherapie. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Bericht vun der AAPM 76a Task Force iwwer d'Gestioun vun der Atmungsbewegung an der Strahlenonkologie. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., a Brock, KK Modelléierung vun den Grenzflächen- an Material-Netlinearitéiten an der mënschlecher Long. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumorähnlecht Lungenkrebsmodell generéiert duerch 3D-Bioprinting. 3. Biotechnologie. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelléierung vun der Longendeformatioun: eng Method déi deforméierbar Bildregistréierungstechniken an raimlech variéierend Schätzung vum Young-Modul kombinéiert. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Steifheet vu liewegem Gewief an hir Implikatioune fir d'Gewebetechnik. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).