Takk for at du besøker nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker den nyeste nettleserversjonen (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I tillegg, for å sikre fortsatt støtte, vil ikke dette nettstedet inkludere stiler eller JavaScript.
Bevegelse av organer og vev kan føre til feil i plasseringen av røntgenstråler under strålebehandling. Derfor er det behov for materialer med vevsekvivalente mekaniske og radiologiske egenskaper for å etterligne organbevegelser for optimalisering av strålebehandling. Utviklingen av slike materialer er imidlertid fortsatt en utfordring. Alginathydrogeler har egenskaper som ligner på den ekstracellulære matriksen, noe som gjør dem lovende som vevsekvivalente materialer. I denne studien ble alginathydrogelskum med ønskede mekaniske og radiologiske egenskaper syntetisert ved in situ Ca2+-frigjøring. Luft-til-volum-forholdet ble nøye kontrollert for å oppnå hydrogelskum med definerte mekaniske og radiologiske egenskaper. Makro- og mikromorfologien til materialene ble karakterisert, og hydrogelskummets oppførsel under kompresjon ble studert. De radiologiske egenskapene ble estimert teoretisk og verifisert eksperimentelt ved hjelp av computertomografi. Denne studien kaster lys over fremtidig utvikling av vevsekvivalente materialer som kan brukes til optimalisering av strålingsdoser og kvalitetskontroll under strålebehandling.
Strålebehandling er en vanlig behandling for kreft1. Bevegelse av organer og vev fører ofte til feil i plasseringen av røntgenstråler under strålebehandling2, noe som kan føre til underbehandling av svulsten og overeksponering av omkringliggende friske celler for unødvendig stråling. Evnen til å forutsi bevegelsen av organer og vev er avgjørende for å minimere feil i tumorlokaliseringen. Denne studien fokuserte på lungene, siden de gjennomgår betydelige deformasjoner og bevegelser når pasienter puster under strålebehandling. Ulike endelige elementmodeller har blitt utviklet og brukt for å simulere bevegelsen til menneskelige lunger3,4,5. Menneskelige organer og vev har imidlertid komplekse geometrier og er svært pasientavhengige. Derfor er materialer med vevsekvivalente egenskaper svært nyttige for å utvikle fysiske modeller for å validere teoretiske modeller, legge til rette for forbedret medisinsk behandling og for medisinsk utdanning.
Utviklingen av bløtvevlignende materialer for å oppnå komplekse eksterne og interne strukturelle geometrier har fått mye oppmerksomhet fordi deres iboende mekaniske inkonsekvenser kan føre til feil i målapplikasjoner6,7. Modellering av den komplekse biomekanikken i lungevev, som kombinerer ekstrem mykhet, elastisitet og strukturell porøsitet, utgjør en betydelig utfordring i utviklingen av modeller som nøyaktig gjengir den menneskelige lungen. Integrering og matching av mekaniske og radiologiske egenskaper er avgjørende for effektiv ytelse av lungemodeller i terapeutiske intervensjoner. Additiv produksjon har vist seg å være effektiv i utviklingen av pasientspesifikke modeller, noe som muliggjør rask prototyping av komplekse design. Shin et al.8 utviklet en reproduserbar, deformerbar lungemodell med 3D-printede luftveier. Haselaar et al.9 utviklet et fantom som er svært likt virkelige pasienter for vurdering av bildekvalitet og posisjonsverifiseringsmetoder for strålebehandling. Hong et al10 utviklet en CT-brystmodell ved hjelp av 3D-printing og silikonstøpeteknologi for å reprodusere CT-intensiteten til ulike lungelesjoner for å evaluere nøyaktigheten av kvantifiseringen. Imidlertid er disse prototypene ofte laget av materialer med effektive egenskaper som er svært forskjellige fra lungevev.
For tiden er de fleste lungefantomer laget av silikon eller polyuretanskum, som ikke samsvarer med de mekaniske og radiologiske egenskapene til ekte lungeparenkym.12,13 Alginathydrogeler er biokompatible og har blitt mye brukt i vevsteknikk på grunn av deres justerbare mekaniske egenskaper.14 Det er imidlertid fortsatt en eksperimentell utfordring å reprodusere den ultramyke, skumlignende konsistensen som kreves for et lungefantom som nøyaktig etterligner elastisiteten og fyllstrukturen til lungevev.
I denne studien ble det antatt at lungevev er et homogent elastisk materiale. Tettheten av menneskelig lungevev (\(\:\rho\:\)) er rapportert å være 1,06 g/cm3, og tettheten av den oppblåste lungen er 0,26 g/cm315. Et bredt spekter av Youngs modulus (MY)-verdier for lungevev er oppnådd ved hjelp av forskjellige eksperimentelle metoder. Lai-Fook et al. 16 målte YM av menneskelig lunge med jevn oppblåsing til å være 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 brukte magnetisk resonanselastografi og rapporterte en YM på 2,17 kPa. Liu et al. 18 rapporterte en direkte målt YM på 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 estimerte YM til å være 0,1–2,7 kPa basert på 4D CT-data innhentet fra utvalgte pasienter.
For lungens radiologiske egenskaper brukes flere parametere for å beskrive lungevevets interaksjonsatferd med røntgenstråler, inkludert elementsammensetning, elektrontetthet (\(\:{\rho\:}_{e}\)), effektivt atomnummer (\(\:{Z}_{eff}\)), gjennomsnittlig eksitasjonsenergi (\(\:I\)), massedempningskoeffisient (\(\:\:\:/\rho\:\)) og Hounsfield-enheten (HU), som er direkte relatert til \(\:\:\:/\rho\:\).
Elektrontettheten \(\:{\rho\:}_{e}\) er definert som antall elektroner per volumenhet og beregnes som følger:
hvor \(\:\rho\:\) er materialets tetthet i g/cm3, \(\:{N}_{A}\) er Avogadros konstant, \(\:{w}_{i}\) er massefraksjonen, \(\:{Z}_{i}\) er atomnummeret, og \(\:{A}_{i}\) er atomvekten til det i-te elementet.
Atomnummeret er direkte relatert til arten av strålingsinteraksjonen i materialet. For forbindelser og blandinger som inneholder flere grunnstoffer (f.eks. tekstiler), må det effektive atomnummeret \(\:{Z}_{eff}\) beregnes. Formelen ble foreslått av Murthy et al. 20:
Den gjennomsnittlige eksitasjonsenergien \(\:I\) beskriver hvor lett målmaterialet absorberer den kinetiske energien til de penetrerende partiklene. Den beskriver bare egenskapene til målmaterialet og har ingenting å gjøre med egenskapene til partiklene. \(\:I\) kan beregnes ved å bruke Braggs additivitetsregel:
Massedempningskoeffisienten _(\:\mu\:/\rho\:\) beskriver penetrasjonen og energifrigjøringen av fotoner i målmaterialet. Den kan beregnes ved hjelp av følgende formel:
Der \(\:x\) er materialets tykkelse, \(\:{I}_{0}\) er den innfallende lysintensiteten, og \(\:I\) er fotonintensiteten etter penetrering inn i materialet. \(\:\mu\:/\rho\:\) data kan hentes direkte fra NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\:\:\:/\rho\:\) verdier for blandinger og forbindelser kan utledes ved hjelp av additivitetsregelen som følger:
HU er en standardisert dimensjonsløs måleenhet for radiotetthet i tolkningen av computertomografi (CT)-data, som er lineært transformert fra den målte dempningskoeffisienten ∫(∫:∫). Den er definert som:
hvor \(\:{\mu\:}_{vann}\) er dempningskoeffisienten til vann, og \(\:{\mu\:}_{luft}\) er dempningskoeffisienten til luft. Derfor ser vi fra formel (6) at HU-verdien til vann er 0, og HU-verdien til luft er -1000. HU-verdien for menneskelige lunger varierer fra -600 til -70022.
Flere vevsekvivalente materialer har blitt utviklet. Griffith et al. 23 utviklet en vevsekvivalentmodell av den menneskelige torso laget av polyuretan (PU) hvor forskjellige konsentrasjoner av kalsiumkarbonat (CaCO3) ble tilsatt for å simulere de lineære dempningskoeffisientene til forskjellige menneskelige organer, inkludert den menneskelige lungen, og modellen fikk navnet Griffith. Taylor 24 presenterte en andre lungevevsekvivalentmodell utviklet av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), kalt LLLL1. Traub et al. 25 utviklet en ny lungevevserstatning ved bruk av Foamex XRS-272 som inneholder 5,25 % CaCO3 som ytelsesforbedre, som fikk navnet ALT2. Tabell 1 og 2 viser en sammenligning av \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) og massedempningskoeffisientene for den menneskelige lungen (ICRU-44) og de ovennevnte vevsekvivalentmodellene.
Til tross for de utmerkede radiologiske egenskapene som oppnås, er nesten alle fantommaterialer laget av polystyrenskum, noe som betyr at de mekaniske egenskapene til disse materialene ikke kan nærme seg de til menneskelige lunger. Youngs modul (YM) for polyuretanskum er omtrent 500 kPa, noe som er langt fra ideelt sammenlignet med normale menneskelige lunger (omtrent 5–10 kPa). Derfor er det nødvendig å utvikle et nytt materiale som kan oppfylle de mekaniske og radiologiske egenskapene til ekte menneskelige lunger.
Hydrogeler er mye brukt i vevsteknikk. Strukturen og egenskapene ligner på den ekstracellulære matriksen (ECM) og er lett justerbare. I denne studien ble rent natriumalginat valgt som biomateriale for fremstilling av skum. Alginathydrogeler er biokompatible og mye brukt i vevsteknikk på grunn av deres justerbare mekaniske egenskaper. Den grunnleggende sammensetningen av natriumalginat (C6H7NaO6)n og tilstedeværelsen av Ca2+ gjør at de radiologiske egenskapene kan justeres etter behov. Denne kombinasjonen av justerbare mekaniske og radiologiske egenskaper gjør alginathydrogeler ideelle for vår studie. Alginathydrogeler har selvfølgelig også begrensninger, spesielt når det gjelder langsiktig stabilitet under simulerte respirasjonssykluser. Derfor er det behov for ytterligere forbedringer, og dette forventes i fremtidige studier, for å håndtere disse begrensningene.
I dette arbeidet utviklet vi et alginathydrogelskummateriale med kontrollerbare rho-verdier, elastisitet og radiologiske egenskaper som ligner på de i menneskelig lungevev. Denne studien vil gi en generell løsning for å fremstille vevslignende fantomer med justerbare elastiske og radiologiske egenskaper. Materialegenskapene kan enkelt tilpasses ethvert menneskelig vev og organ.
Målforholdet mellom luft og volum for hydrogelskummet ble beregnet basert på HU-området til menneskelige lunger (-600 til -700). Det ble antatt at skummet var en enkel blanding av luft og syntetisk alginathydrogel. Ved å bruke en enkel addisjonsregel for individuelle elementer _(\:\mu\:/\rho\:\), kunne volumfraksjonen av luft og volumforholdet til den syntetiserte alginathydrogelen beregnes.
Alginathydrogelskum ble fremstilt ved bruk av natriumalginat (delenummer W201502), CaCO3 (delenummer 795445, molekylvekt: 100,09) og GDL (delenummer G4750, molekylvekt: 178,14) kjøpt fra Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70 % natriumlauryletersulfat (SLES 70) ble kjøpt fra Renowned Trading LLC. Avionisert vann ble brukt i skumfremstillingsprosessen. Natriumalginat ble løst opp i avionisert vann ved romtemperatur under konstant omrøring (600 o/min) inntil en homogen gul, gjennomskinnelig løsning ble oppnådd. CaCO3 i kombinasjon med GDL ble brukt som en Ca2+-kilde for å starte gelering. SLES 70 ble brukt som et overflateaktivt middel for å danne en porøs struktur inne i hydrogelen. Alginatkonsentrasjonen ble opprettholdt på 5 %, og molforholdet Ca2+:-COOH ble opprettholdt på 0,18. Molforholdet CaCO3:GDL ble også opprettholdt på 0,5 under skumprepareringen for å opprettholde en nøytral pH. Verdien er 26. 2 volum% SLES 70 ble tilsatt alle prøvene. Et begerglass med lokk ble brukt til å kontrollere blandingsforholdet mellom løsningen og luften. Begerglassets totale volum var 140 ml. Basert på de teoretiske beregningsresultatene ble forskjellige volumer av blandingen (50 ml, 100 ml, 110 ml) tilsatt begerglasset for å blandes med luft. Prøven som inneholdt 50 ml av blandingen ble utformet for å blandes med tilstrekkelig luft, mens luftvolumforholdet i de to andre prøvene ble kontrollert. Først ble SLES 70 tilsatt alginatløsningen og omrørt med en elektrisk omrører til den var fullstendig blandet. Deretter ble CaCO3-suspensjonen tilsatt blandingen og omrørt kontinuerlig til blandingen var fullstendig blandet, da fargen endret seg til hvit. Til slutt ble GDL-løsningen tilsatt blandingen for å starte gelering, og mekanisk omrøring ble opprettholdt gjennom hele prosessen. For prøven som inneholdt 50 ml av blandingen ble den mekaniske omrøringen stoppet da volumet av blandingen sluttet å endre seg. For prøvene som inneholdt 100 ml og 110 ml av blandingen ble den mekaniske omrøringen stoppet da blandingen fylte begerglasset. Vi forsøkte også å lage hydrogelskum med et volum mellom 50 ml og 100 ml. Imidlertid ble det observert strukturell ustabilitet i skummet, da det svingte mellom tilstanden med fullstendig luftblanding og tilstanden med luftvolumkontroll, noe som resulterte i inkonsekvent volumkontroll. Denne ustabiliteten introduserte usikkerhet i beregningene, og derfor ble ikke dette volumområdet inkludert i denne studien.
Tettheten \(\:\rho\:\) til et hydrogelskum beregnes ved å måle massen \(\:m\) og volumet \(\:V\) til en hydrogelskumprøve.
Optiske mikroskopiske bilder av hydrogelskum ble tatt med et Zeiss Axio Observer A1-kamera. ImageJ-programvare ble brukt til å beregne antall og størrelsesfordeling av porer i en prøve i et bestemt område basert på de innhentede bildene. Poreformen antas å være sirkulær.
For å studere de mekaniske egenskapene til alginathydrogelskummet ble det utført enaksiale kompresjonstester ved hjelp av en TESTRESOURCES 100-serie maskin. Prøvene ble kuttet i rektangulære blokker, og blokkdimensjonene ble målt for å beregne spenninger og tøyninger. Krysshodehastigheten ble satt til 10 mm/min. Tre prøver ble testet for hver prøve, og gjennomsnitt og standardavvik ble beregnet fra resultatene. Denne studien fokuserte på de mekaniske kompresjonsegenskapene til alginathydrogelskummet, siden lungevevet utsettes for kompresjonskrefter på et visst stadium av respirasjonssyklusen. Forlengbarheten er selvfølgelig avgjørende, spesielt for å gjenspeile lungevevets fulle dynamiske oppførsel, og dette vil bli undersøkt i fremtidige studier.
De fremstilte hydrogelskumprøvene ble skannet på en Siemens SOMATOM Drive tokanals CT-skanner. Skanneparametrene ble satt som følger: 40 mAs, 120 kVp og 1 mm skivetykkelse. De resulterende DICOM-filene ble analysert ved hjelp av MicroDicom DICOM Viewer-programvaren for å analysere HU-verdiene for 5 tverrsnitt av hver prøve. HU-verdiene oppnådd ved CT ble sammenlignet med teoretiske beregninger basert på tetthetsdataene til prøvene.
Målet med denne studien er å revolusjonere fremstillingen av individuelle organmodeller og kunstig biologisk vev ved å konstruere myke materialer. Å utvikle materialer med mekaniske og radiologiske egenskaper som samsvarer med arbeidsmekanikken til menneskelige lunger er viktig for målrettede bruksområder som forbedring av medisinsk opplæring, kirurgisk planlegging og planlegging av strålebehandling. I figur 1A plottet vi avviket mellom de mekaniske og radiologiske egenskapene til myke materialer som angivelig brukes til å fremstille menneskelige lungemodeller. Til dags dato har det blitt utviklet materialer som viser de ønskede radiologiske egenskapene, men deres mekaniske egenskaper oppfyller ikke de ønskede kravene. Polyuretanskum og gummi er de mest brukte materialene for å fremstille deformerbare menneskelige lungemodeller. De mekaniske egenskapene til polyuretanskum (Youngs modulus, YM) er vanligvis 10 til 100 ganger større enn for normalt menneskelig lungevev. Materialer som viser både de ønskede mekaniske og radiologiske egenskapene er ennå ikke kjent.
(A) Skjematisk fremstilling av egenskapene til ulike myke materialer og sammenligning med menneskelig lunge med hensyn til tetthet, Youngs modulus og radiologiske egenskaper (i HU). (B) Røntgendiffraksjonsmønster av \(\:\mu\:/\rho\:\) alginathydrogel med en konsentrasjon på 5 % og et Ca2+:-COOH-molforhold på 0,18. (C) Område for luftvolumforhold i hydrogelskum. (D) Skjematisk fremstilling av alginathydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold.
Elementsammensetningen av alginathydrogeler med en konsentrasjon på 5 % og et molforhold Ca2+:-COOH på 0,18 ble beregnet, og resultatene er vist i tabell 3. I henhold til addisjonsregelen i den forrige formelen (5) oppnås massedempningskoeffisienten til alginathydrogel \(\:\:\:\:/\rho\:\) som vist i figur 1B.
Verdiene \(\:\mu\:/\rho\:\) for luft og vann ble hentet direkte fra NIST 12612-standardreferansedatabasen. Figur 1C viser dermed de beregnede luftvolumforholdene i hydrogelskum med HU-ekvivalentverdier mellom -600 og -700 for den menneskelige lungen. Det teoretisk beregnede luftvolumforholdet er stabilt innenfor 60–70 % i energiområdet fra 1 × 10⁻³ til 2 × 10¹ MeV, noe som indikerer et godt potensial for bruk av hydrogelskum i nedstrøms produksjonsprosesser.
Figur 1D viser den fremstilte prøven av alginathydrogelskum. Alle prøvene ble kuttet i terninger med en kantlengde på 12,7 mm. Resultatene viste at det ble dannet et homogent, tredimensjonalt stabilt hydrogelskum. Uavhengig av luftvolumforholdet ble det ikke observert noen signifikante forskjeller i utseendet til hydrogelskummene. Hydrogelskummets selvopprettholdende natur antyder at nettverket som dannes i hydrogelen er sterkt nok til å bære vekten av selve skummet. Bortsett fra en liten mengde vannlekkasje fra skummet, viste skummet også forbigående stabilitet i flere uker.
Ved å måle massen og volumet til skumprøven ble tettheten til det fremstilte hydrogelskummet \(\:\rho\:\) beregnet, og resultatene er vist i tabell 4. Resultatene viser avhengigheten av \(\:\rho\:\) på volumforholdet til luft. Når nok luft blandes med 50 ml av prøven, blir tettheten lavest og er 0,482 g/cm3. Etter hvert som mengden blandet luft avtar, øker tettheten til 0,685 g/cm3. Den maksimale p-verdien mellom gruppene på 50 ml, 100 ml og 110 ml var 0,004 < 0,05, noe som indikerer statistisk signifikans av resultatene.
Den teoretiske verdien \(\:\rho\:\) beregnes også ved hjelp av det kontrollerte luftvolumforholdet. De målte resultatene viser at \(\:\rho\:\) er 0,1 g/cm³ mindre enn den teoretiske verdien. Denne forskjellen kan forklares med den interne spenningen som genereres i hydrogelen under geleringsprosessen, noe som forårsaker hevelse og dermed fører til en reduksjon i \(\:\rho\:\). Dette ble ytterligere bekreftet av observasjonen av noen hull inne i hydrogelskummet i CT-bildene vist i figur 2 (A, B og C).
Optiske mikroskopibilder av hydrogelskum med ulikt luftvoluminnhold (A) 50, (B) 100 og (C) 110. Celletall og porestørrelsesfordeling i alginathydrogelskumprøver (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figur 3 (A, B, C) viser optiske mikroskopbilder av hydrogelskumprøvene med forskjellige luftvolumforhold. Resultatene demonstrerer den optiske strukturen til hydrogelskummet, og viser tydelig bilder av porer med forskjellige diametre. Fordelingen av poretall og diameter ble beregnet ved hjelp av ImageJ. Seks bilder ble tatt for hver prøve, hvert bilde hadde en størrelse på 1125,27 μm × 843,96 μm, og det totale analyserte arealet for hver prøve var 5,7 mm².
(A) Trykkspennings-tøyningsoppførsel for alginathydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold. (B) Eksponentiell tilpasning. (C) Kompresjon E0 for hydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold. (D) Maksimal trykkspenning og tøyning for alginathydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold.
Figur 3 (D, E, F) viser at porestørrelsesfordelingen er relativt jevn, og varierer fra titalls mikrometer til omtrent 500 mikrometer. Porestørrelsen er i utgangspunktet jevn, og den avtar litt etter hvert som luftvolumet avtar. I følge testdataene er den gjennomsnittlige porestørrelsen for 50 ml-prøven 192,16 μm, medianen er 184,51 μm, og antallet porer per arealenhet er 103; den gjennomsnittlige porestørrelsen for 100 ml-prøven er 156,62 μm, medianen er 151,07 μm, og antallet porer per arealenhet er 109; de tilsvarende verdiene for 110 ml-prøven er henholdsvis 163,07 μm, 150,29 μm og 115. Dataene viser at de større porene har større innflytelse på de statistiske resultatene av den gjennomsnittlige porestørrelsen, og medianporestørrelsen kan bedre gjenspeile endringstrenden i porestørrelsen. Etter hvert som prøvevolumet øker fra 50 ml til 110 ml, øker også antallet porer. Ved å kombinere de statistiske resultatene av median porediameter og poretall, kan det konkluderes med at med økende volum dannes flere porer av mindre størrelse inne i prøven.
De mekaniske testdataene er vist i figur 4A og 4D. Figur 4A viser den trykkfaste spennings-tøyningsoppførselen til de fremstilte hydrogelskummene med forskjellige luftvolumforhold. Resultatene viser at alle prøvene har lignende ikke-lineær spennings-tøyningsoppførsel. For hver prøve øker spenningen raskere med økende tøyning. En eksponensiell kurve ble tilpasset den trykkfaste spennings-tøyningsoppførselen til hydrogelskummet. Figur 4B viser resultatene etter å ha brukt den eksponensielle funksjonen som en tilnærmende modell på hydrogelskummet.
For hydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold ble også deres kompresjonsmodul (E0) studert. I likhet med analysen av hydrogelene ble den kompresjonsmessige Youngs modul undersøkt i området 20 % initial tøyning. Resultatene av kompresjonstestene er vist i figur 4C. Resultatene i figur 4C viser at når luftvolumforholdet synker fra prøve 50 til prøve 110, øker den kompresjonsmessige Youngs modul E0 for alginathydrogelskummet fra 10,86 kPa til 18 kPa.
På samme måte ble de komplette spennings-tøyningskurvene for hydrogelskummene, samt de ultimate trykkspennings- og tøyningsverdiene, innhentet. Figur 4D viser den ultimate trykkspenningen og tøyningen for alginathydrogelskummene. Hvert datapunkt er gjennomsnittet av tre testresultater. Resultatene viser at den ultimate trykkspenningen øker fra 9,84 kPa til 17,58 kPa med synkende gassinnhold. Den ultimate tøyningen forblir stabil på omtrent 38 %.
Figur 2 (A, B og C) viser CT-bilder av hydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold som korresponderer med prøvene 50, 100 og 110. Bildene viser at det dannede hydrogelskummet er nesten homogent. Et lite antall hull ble observert i prøvene 100 og 110. Dannelsen av disse hullene kan skyldes den indre spenningen som genereres i hydrogelen under geleringsprosessen. Vi beregnet HU-verdiene for 5 tverrsnitt av hver prøve og listet dem opp i tabell 5 sammen med de tilsvarende teoretiske beregningsresultatene.
Tabell 5 viser at prøvene med forskjellige luftvolumforhold oppnådde forskjellige HU-verdier. Den maksimale p-verdien mellom gruppene på 50 ml, 100 ml og 110 ml var 0,004 < 0,05, noe som indikerer statistisk signifikans av resultatene. Blant de tre prøvene som ble testet, hadde prøven med 50 ml blanding de radiologiske egenskapene som lå nærmest de hos menneskelige lunger. Den siste kolonnen i tabell 5 er resultatet oppnådd ved teoretisk beregning basert på den målte skumverdien \(\:\rho\:\). Ved å sammenligne de målte dataene med de teoretiske resultatene, kan man finne at HU-verdiene oppnådd ved CT-skanning generelt er nær de teoretiske resultatene, noe som igjen bekrefter resultatene av beregningen av luftvolumforholdet i figur 1C.
Hovedmålet med denne studien er å lage et materiale med mekaniske og radiologiske egenskaper som kan sammenlignes med de i menneskelige lunger. Dette målet ble oppnådd ved å utvikle et hydrogelbasert materiale med skreddersydde vevsekvivalente mekaniske og radiologiske egenskaper som er så nært som mulig de i menneskelige lunger. Veiledet av teoretiske beregninger ble hydrogelskum med forskjellige luftvolumforhold fremstilt ved mekanisk å blande natriumalginatløsning, CaCO3, GDL og SLES 70. Morfologisk analyse viste at et homogent tredimensjonalt stabilt hydrogelskum ble dannet. Ved å endre luftvolumforholdet kan skummets tetthet og porøsitet varieres etter ønske. Med økningen av luftvoluminnholdet reduseres porestørrelsen noe og antallet porer øker. Kompresjonstester ble utført for å analysere de mekaniske egenskapene til alginathydrogelskummet. Resultatene viste at kompresjonsmodulen (E0) oppnådd fra kompresjonstestene er i det ideelle området for menneskelige lunger. E0 øker når luftvolumforholdet synker. Verdiene for de radiologiske egenskapene (HU) til de preparerte prøvene ble innhentet basert på CT-dataene fra prøvene og sammenlignet med resultatene fra teoretiske beregninger. Resultatene var gunstige. Den målte verdien er også nær HU-verdien for menneskelige lunger. Resultatene viser at det er mulig å lage vevsimiterende hydrogelskum med en ideell kombinasjon av mekaniske og radiologiske egenskaper som etterligner egenskapene til menneskelige lunger.
Til tross for de lovende resultatene, må dagens produksjonsmetoder forbedres for bedre å kontrollere luftvolumforholdet og porøsiteten, slik at de samsvarer med forutsigelser fra teoretiske beregninger og virkelige menneskelige lunger på både global og lokal skala. Den nåværende studien er også begrenset til å teste kompresjonsmekanikken, noe som begrenser den potensielle anvendelsen av fantomet til kompresjonsfasen av respirasjonssyklusen. Fremtidig forskning vil ha nytte av å undersøke strekkprøving samt den generelle mekaniske stabiliteten til materialet for å vurdere potensielle bruksområder under dynamiske belastningsforhold. Til tross for disse begrensningene markerer studien det første vellykkede forsøket på å kombinere radiologiske og mekaniske egenskaper i et enkelt materiale som etterligner den menneskelige lungen.
Datasettene som ble generert og/eller analysert i løpet av den nåværende studien er tilgjengelige fra den korresponderende forfatteren på rimelig forespørsel. Både eksperimenter og datasett er reproduserbare.
Song, G., et al. Nye nanoteknologier og avanserte materialer for strålebehandling av kreft. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapport fra AAPM 76a arbeidsgruppe om håndtering av respiratorisk bevegelse i strålebehandling. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., og Brock, KK Modellering av grensesnitt- og materialulineariteter i den menneskelige lungen. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumorlignende lungekreftmodell generert ved 3D-bioprinting. 3. Bioteknologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellering av lungedeformasjon: en metode som kombinerer deformerbare bilderegistreringsteknikker og romlig varierende Youngs modulusestimering. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Stivhet i levende vev og dens implikasjoner for vevsteknologi. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).