Faleminderit që vizituat nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS. Për përvojën më të mirë, ne rekomandojmë përdorimin e versionit më të fundit të shfletuesit (ose çaktivizimin e modalitetit të përputhshmërisë në Internet Explorer). Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, kjo faqe nuk do të përfshijë stile ose JavaScript.
Lëvizja e organeve dhe indeve mund të çojë në gabime në pozicionimin e rrezeve X gjatë radioterapisë. Prandaj, materialet me veti mekanike dhe radiologjike ekuivalente me indet janë të nevojshme për të imituar lëvizjen e organeve për optimizimin e radioterapisë. Megjithatë, zhvillimi i materialeve të tilla mbetet një sfidë. Hidrogelët alginate kanë veti të ngjashme me ato të matricës jashtëqelizore, duke i bërë ato premtuese si materiale ekuivalente me indet. Në këtë studim, shkumat hidrogel alginate me veti mekanike dhe radiologjike të dëshiruara u sintetizuan me anë të çlirimit in situ të Ca2+. Raporti ajër-vëllim u kontrollua me kujdes për të marrë shkume hidrogeli me veti mekanike dhe radiologjike të përcaktuara. U karakterizua makro- dhe mikromorfologjia e materialeve, dhe u studiua sjellja e shkumave hidrogel nën kompresim. Vetitë radiologjike u vlerësuan teorikisht dhe u verifikuan eksperimentalisht duke përdorur tomografi kompjuterike. Ky studim hedh dritë mbi zhvillimin e ardhshëm të materialeve ekuivalente me indet që mund të përdoren për optimizimin e dozës së rrezatimit dhe kontrollin e cilësisë gjatë radioterapisë.
Radioterapia është një trajtim i zakonshëm për kancerin1. Lëvizja e organeve dhe indeve shpesh çon në gabime në pozicionimin e rrezeve X gjatë radioterapisë2, të cilat mund të rezultojnë në nën-trajtim të tumorit dhe mbi-ekspozim të qelizave të shëndetshme përreth ndaj rrezatimit të panevojshëm. Aftësia për të parashikuar lëvizjen e organeve dhe indeve është kritike për minimizimin e gabimeve në lokalizimin e tumorit. Ky studim u përqendrua në mushkëri, pasi ato i nënshtrohen deformimeve dhe lëvizjeve të konsiderueshme kur pacientët marrin frymë gjatë radioterapisë. Modele të ndryshme me elementë të fundëm janë zhvilluar dhe aplikuar për të simuluar lëvizjen e mushkërive njerëzore3,4,5. Megjithatë, organet dhe indet njerëzore kanë gjeometri komplekse dhe varen shumë nga pacienti. Prandaj, materialet me veti ekuivalente me indet janë shumë të dobishme për zhvillimin e modeleve fizike për të validuar modelet teorike, për të lehtësuar trajtimin e përmirësuar mjekësor dhe për qëllime edukimi mjekësor.
Zhvillimi i materialeve që imitojnë indet e buta për të arritur gjeometri strukturore komplekse të jashtme dhe të brendshme ka tërhequr shumë vëmendje sepse mospërputhjet e tyre të natyrshme mekanike mund të çojnë në dështime në aplikimet e synuara6,7. Modelimi i biomekanikës komplekse të indit të mushkërive, i cili kombinon butësi ekstreme, elasticitet dhe porozitet strukturor, paraqet një sfidë të rëndësishme në zhvillimin e modeleve që riprodhojnë me saktësi mushkëritë njerëzore. Integrimi dhe përputhja e vetive mekanike dhe radiologjike janë kritike për performancën efektive të modeleve të mushkërive në ndërhyrjet terapeutike. Prodhimi aditiv ka provuar të jetë efektiv në zhvillimin e modeleve specifike për pacientin, duke mundësuar prototipimin e shpejtë të dizenjove komplekse. Shin et al. 8 zhvilluan një model të riprodhueshëm dhe të deformueshëm të mushkërive me rrugë ajrore të printuara në 3D. Haselaar et al. 9 zhvilluan një fantom shumë të ngjashëm me pacientët e vërtetë për vlerësimin e cilësisë së imazhit dhe metodat e verifikimit të pozicionit për radioterapinë. Hong et al. 10 zhvilluan një model CT të kraharorit duke përdorur teknologjinë e printimit 3D dhe derdhjes së silikonit për të riprodhuar intensitetin CT të lezioneve të ndryshme të mushkërive për të vlerësuar saktësinë e përcaktimit sasior. Megjithatë, këto prototipa shpesh bëhen nga materiale, vetitë efektive të të cilave janë shumë të ndryshme nga ato të indeve të mushkërive11.
Aktualisht, shumica e fantazmave të mushkërive janë bërë prej silikoni ose shkume poliuretani, të cilat nuk përputhen me vetitë mekanike dhe radiologjike të parenkimës së mushkërive të vërteta.12,13 Hidrogelët e alginatit janë biokompatibël dhe janë përdorur gjerësisht në inxhinierinë e indeve për shkak të vetive të tyre mekanike të akordueshme.14 Megjithatë, riprodhimi i konsistencës ultra të butë, të ngjashme me shkumën, të kërkuar për një fantazmë të mushkërive që imiton me saktësi elasticitetin dhe strukturën mbushëse të indit të mushkërive mbetet një sfidë eksperimentale.
Në këtë studim, u supozua se indi pulmonar është një material elastik homogjen. Dendësia e indit pulmonar të njeriut (\(\:\rho\:\)) raportohet të jetë 1.06 g/cm3, dhe dendësia e mushkërive të fryra është 0.26 g/cm315. Një gamë e gjerë vlerash të modulit të Young-ut (MY) të indit pulmonar është marrë duke përdorur metoda të ndryshme eksperimentale. Lai-Fook et al. 16 matën YM të mushkërive të njeriut me fryrje uniforme në 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 përdorën elastografinë me rezonancë magnetike dhe raportuan një YM prej 2.17 kPa. Liu et al. 18 raportuan një YM të matur direkt prej 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi et al. 19 vlerësuan YM të jetë 0.1–2.7 kPa bazuar në të dhënat 4D CT të marra nga pacientë të përzgjedhur.
Për vetitë radiologjike të mushkërive, përdoren disa parametra për të përshkruar sjelljen e ndërveprimit të indit të mushkërive me rrezet X, duke përfshirë përbërjen elementare, dendësinë e elektroneve (\(\:{\rho\:}_{e}\)), numrin atomik efektiv (\(\:{Z}_{eff}\)), energjinë mesatare të ngacmimit (\(\:I\)), koeficientin e dobësimit të masës (\(\:\mu\:/\rho\:\)) dhe njësinë Hounsfield (HU), e cila lidhet drejtpërdrejt me \(\:\mu\:/\rho\:\).
Dendësia e elektroneve \(\:{\rho\:}_{e}\) përcaktohet si numri i elektroneve për njësi vëllimi dhe llogaritet si më poshtë:
ku \(\:\rho\:\) është dendësia e materialit në g/cm3, \(\:{N}_{A}\) është konstantja e Avogadros, \(\:{w}_{i}\) është fraksioni në masë, \(\:{Z}_{i}\) është numri atomik dhe \(\:{A}_{i}\) është pesha atomike e elementit të i-të.
Numri atomik lidhet drejtpërdrejt me natyrën e bashkëveprimit të rrezatimit brenda materialit. Për përbërjet dhe përzierjet që përmbajnë disa elementë (p.sh., pëlhura), duhet të llogaritet numri atomik efektiv \(\:{Z}_{eff}\). Formula u propozua nga Murthy et al. 20:
Energjia mesatare e ngacmimit \(\:I\) përshkruan se sa lehtë materiali i synuar thith energjinë kinetike të grimcave depërtuese. Ajo përshkruan vetëm vetitë e materialit të synuar dhe nuk ka të bëjë fare me vetitë e grimcave. \(\:I\) mund të llogaritet duke zbatuar rregullin e aditivitetit të Bragg-ut:
Koeficienti i dobësimit të masës (\:\mu\:/\rho\:\) përshkruan depërtimin dhe çlirimin e energjisë së fotoneve në materialin e synuar. Mund të llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:
Ku \(\:x\) është trashësia e materialit, \(\:{I}_{0}\) është intensiteti i dritës incidente dhe \(\:I\) është intensiteti i fotonit pas depërtimit në material. Të dhënat \(\:\mu\:/\rho\:\) mund të merren direkt nga Baza e të Dhënave të Referencës së Standardeve NIST 12621. Vlerat \(\:\mu\:/\rho\:\) për përzierjet dhe përbërjet mund të nxirren duke përdorur rregullin e aditivitetit si më poshtë:
HU është një njësi standarde pa dimensione e matjes së radiodensitetit në interpretimin e të dhënave të tomografisë kompjuterike (CT), e cila transformohet në mënyrë lineare nga koeficienti i zbutjes së matur \(\:\mu\:\). Përcaktohet si:
ku \(\:{\mu\:}_{ujë}\) është koeficienti i dobësimit të ujit, dhe \(\:{\mu\:}_{ajër}\) është koeficienti i dobësimit të ajrit. Prandaj, nga formula (6) shohim se vlera HU e ujit është 0, dhe vlera HU e ajrit është -1000. Vlera HU për mushkëritë e njeriut varion nga -600 në -70022.
Janë zhvilluar disa materiale ekuivalente të indeve. Griffith et al. 23 zhvilluan një model ekuivalent të indeve të torsos njerëzore të bërë nga poliuretani (PU) në të cilin u shtuan përqendrime të ndryshme të karbonatit të kalciumit (CaCO3) për të simuluar koeficientët e dobësimit linear të organeve të ndryshme njerëzore, përfshirë mushkëritë e njeriut, dhe modeli u emërua Griffith. Taylor24 paraqiti një model të dytë ekuivalent të indeve të mushkërive të zhvilluar nga Laboratori Kombëtar Lawrence Livermore (LLNL), të quajtur LLLL1. Traub et al. 25 zhvilluan një zëvendësues të ri të indit të mushkërive duke përdorur Foamex XRS-272 që përmbante 5.25% CaCO3 si një përmirësues të performancës, i cili u emërua ALT2. Tabelat 1 dhe 2 tregojnë një krahasim të \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) dhe koeficientëve të dobësimit në masë për mushkëritë e njeriut (ICRU-44) dhe modelet e mësipërme ekuivalente të indeve.
Pavarësisht vetive të shkëlqyera radiologjike të arritura, pothuajse të gjitha materialet fantazmë janë bërë nga shkumë polistireni, që do të thotë se vetitë mekanike të këtyre materialeve nuk mund t'i afrohen atyre të mushkërive të njeriut. Moduli i Young-ut (YM) i shkumës poliuretani është rreth 500 kPa, që është larg idealit krahasuar me mushkëritë normale të njeriut (rreth 5-10 kPa). Prandaj, është e nevojshme të zhvillohet një material i ri që mund të përmbushë karakteristikat mekanike dhe radiologjike të mushkërive të vërteta të njeriut.
Hidrogelët përdoren gjerësisht në inxhinierinë e indeve. Struktura dhe vetitë e tyre janë të ngjashme me matricën jashtëqelizore (ECM) dhe janë lehtësisht të rregullueshme. Në këtë studim, alginati i pastër i natriumit u zgjodh si biomaterial për përgatitjen e shkumave. Hidrogelët e alginatit janë biokompatibël dhe përdoren gjerësisht në inxhinierinë e indeve për shkak të vetive të tyre mekanike të rregullueshme. Përbërja elementare e alginatit të natriumit (C6H7NaO6)n dhe prania e Ca2+ lejojnë që vetitë e tij radiologjike të rregullohen sipas nevojës. Ky kombinim i vetive mekanike dhe radiologjike të rregullueshme i bën hidrogelët e alginatit idealë për studimin tonë. Sigurisht, hidrogelët e alginatit kanë gjithashtu kufizime, veçanërisht në aspektin e stabilitetit afatgjatë gjatë cikleve të simuluara të frymëmarrjes. Prandaj, përmirësime të mëtejshme janë të nevojshme dhe priten në studimet e ardhshme për të adresuar këto kufizime.
Në këtë punim, ne zhvilluam një material shkumë hidrogeli alginati me vlera rho të kontrollueshme, elasticitet dhe veti radiologjike të ngjashme me ato të indeve të mushkërive njerëzore. Ky studim do të ofrojë një zgjidhje të përgjithshme për prodhimin e fantazmave të ngjashme me indet me veti elastike dhe radiologjike të akordueshme. Vetitë e materialit mund të përshtaten lehtësisht me çdo ind dhe organ njerëzor.
Raporti i synuar ajër-vëllim i shkumës së hidrogelit u llogarit bazuar në diapazonin HU të mushkërive të njeriut (-600 deri në -700). Supozohej se shkuma ishte një përzierje e thjeshtë ajri dhe hidrogeli alginat sintetik. Duke përdorur një rregull të thjeshtë mbledhjeje të elementëve individualë \(\:\mu\:/\rho\:\), mund të llogariteshin fraksioni vëllimor i ajrit dhe raporti vëllimor i hidrogelit alginat të sintetizuar.
Shkumat hidrogel të alginatit u përgatitën duke përdorur alginat natriumi (Nr. i Pjesës W201502), CaCO3 (Nr. i Pjesës 795445, MW: 100.09) dhe GDL (Nr. i Pjesës G4750, MW: 178.14) të blera nga Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Sulfat Lauril Eter Natriumi (SLES 70) u ble nga Renowned Trading LLC. Në procesin e përgatitjes së shkumës u përdor ujë i deionizuar. Alginati i natriumit u tret në ujë të deionizuar në temperaturë ambienti me përzierje të vazhdueshme (600 rpm) derisa u përftua një tretësirë ​​homogjene e verdhë e tejdukshme. CaCO3 në kombinim me GDL u përdor si burim Ca2+ për të filluar xhelatinizimin. SLES 70 u përdor si surfaktant për të formuar një strukturë poroze brenda hidrogelit. Përqendrimi i alginatit u mbajt në 5% dhe raporti molar Ca2+:-COOH u mbajt në 0.18. Raporti molar CaCO3:GDL u mbajt gjithashtu në 0.5 gjatë përgatitjes së shkumës për të ruajtur një pH neutral. Vlera është 26. 2% në vëllim të SLES 70 u shtua në të gjitha mostrat. Një gotë me kapak u përdor për të kontrolluar raportin e përzierjes së tretësirës dhe ajrit. Vëllimi total i gotës ishte 140 ml. Bazuar në rezultatet e llogaritjes teorike, vëllime të ndryshme të përzierjes (50 ml, 100 ml, 110 ml) u shtuan në gotë për t'u përzier me ajrin. Mostra që përmbante 50 ml të përzierjes ishte projektuar për t'u përzier me ajër të mjaftueshëm, ndërsa raporti i vëllimit të ajrit në dy mostrat e tjera u kontrollua. Së pari, SLES 70 u shtua në tretësirën e alginatit dhe u përzie me një përzierës elektrik derisa të përzihej plotësisht. Pastaj, pezullimi i CaCO3 u shtua në përzierje dhe u përzie vazhdimisht derisa përzierja u përzie plotësisht, kur ngjyra e saj ndryshoi në të bardhë. Së fundmi, tretësira GDL u shtua në përzierje për të filluar xhelatinizimin, dhe përzierja mekanike u mbajt gjatë gjithë procesit. Për mostrën që përmbante 50 ml të përzierjes, përzierja mekanike u ndal kur vëllimi i përzierjes ndaloi së ndryshuari. Për mostrat që përmbanin 100 ml dhe 110 ml të përzierjes, përzierja mekanike u ndal kur përzierja mbushi gotën. Ne gjithashtu u përpoqëm të përgatisnim shkuma hidrogeli me një vëllim midis 50 ml dhe 100 ml. Megjithatë, u vu re paqëndrueshmëri strukturore e shkumës, pasi ajo luhatej midis gjendjes së përzierjes së plotë të ajrit dhe gjendjes së kontrollit të vëllimit të ajrit, duke rezultuar në kontroll të paqëndrueshëm të vëllimit. Kjo paqëndrueshmëri futi pasiguri në llogaritje, dhe për këtë arsye ky diapazon vëllimi nuk u përfshi në këtë studim.
Dendësia \(\:\rho\:\) e një shkume hidrogeli llogaritet duke matur masën \(\:m\) dhe vëllimin \(\:V\) të një mostre shkume hidrogeli.
Imazhet mikroskopike optike të shkumave të hidrogelit u morën duke përdorur një kamerë Zeiss Axio Observer A1. Programi ImageJ u përdor për të llogaritur numrin dhe shpërndarjen e madhësisë së poreve në një mostër në një zonë të caktuar bazuar në imazhet e marra. Forma e poreve supozohet të jetë rrethore.
Për të studiuar vetitë mekanike të shkumave të hidrogelit alginat, u kryen teste të kompresimit uniaxial duke përdorur një makinë të serisë TESTRESOURCES 100. Mostrat u prenë në blloqe drejtkëndëshe dhe dimensionet e bllokut u matën për të llogaritur streset dhe deformimet. Shpejtësia e kokës kryqëzore u vendos në 10 mm/min. U testuan tre mostra për secilën mostër dhe mesatarja dhe devijimi standard u llogaritën nga rezultatet. Ky studim u përqendrua në vetitë mekanike kompresuese të shkumave të hidrogelit alginat, pasi indi i mushkërive i nënshtrohet forcave kompresuese në një fazë të caktuar të ciklit të frymëmarrjes. Zgjatueshmëria është sigurisht thelbësore, veçanërisht për të reflektuar sjelljen e plotë dinamike të indit të mushkërive dhe kjo do të hetohet në studimet e ardhshme.
Mostrat e përgatitura të shkumës hidrogel u skanuan në një skaner CT me dy kanale Siemens SOMATOM Drive. Parametrat e skanimit u vendosën si më poshtë: 40 mAs, 120 kVp dhe trashësi prerjeje 1 mm. Skedarët DICOM që rezultuan u analizuan duke përdorur programin MicroDicom DICOM Viewer për të analizuar vlerat HU të 5 prerjeve tërthore të secilës mostër. Vlerat HU të marra nga CT u krahasuan me llogaritjet teorike bazuar në të dhënat e dendësisë së mostrave.
Qëllimi i këtij studimi është të revolucionarizojë prodhimin e modeleve individuale të organeve dhe indeve biologjike artificiale duke inxhinieruar materiale të buta. Zhvillimi i materialeve me veti mekanike dhe radiologjike që përputhen me mekanikën e punës së mushkërive njerëzore është i rëndësishëm për aplikime të synuara, të tilla si përmirësimi i trajnimit mjekësor, planifikimi kirurgjikal dhe planifikimi i radioterapisë. Në Figurën 1A, ne paraqitëm mospërputhjen midis vetive mekanike dhe radiologjike të materialeve të buta që supozohet se përdoren për të prodhuar modele të mushkërive njerëzore. Deri më sot, janë zhvilluar materiale që shfaqin vetitë radiologjike të dëshiruara, por vetitë e tyre mekanike nuk i plotësojnë kërkesat e dëshiruara. Shkuma poliuretani dhe goma janë materialet më të përdorura gjerësisht për prodhimin e modeleve të deformueshme të mushkërive njerëzore. Vetitë mekanike të shkumës poliuretani (moduli i Young, YM) janë zakonisht 10 deri në 100 herë më të mëdha se ato të indit normal të mushkërive njerëzore. Materialet që shfaqin si vetitë mekanike ashtu edhe ato radiologjike të dëshiruara nuk janë ende të njohura.
(A) Paraqitje skematike e vetive të materialeve të ndryshme të buta dhe krahasimi me mushkëritë e njeriut për sa i përket dendësisë, modulit të Young-ut dhe vetive radiologjike (në HU). (B) Modeli i difraksionit të rrezeve X të hidrogelit alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) me një përqendrim prej 5% dhe një raport molar Ca2+:-COOH prej 0.18. (C) Diapazoni i raporteve të vëllimit të ajrit në shkumat e hidrogelit. (D) Paraqitje skematike e shkumave të hidrogelit alginat me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit.
Përbërja elementare e hidrogeleve të alginatit me një përqendrim prej 5% dhe një raport molar Ca2+:-COOH prej 0.18 u llogarit, dhe rezultatet tregohen në Tabelën 3. Sipas rregullit të mbledhjes në formulën e mëparshme (5), koeficienti i dobësimit në masë të hidrogelit të alginatit \(\:\:\mu\:/\rho\:\) merret siç tregohet në Figurën 1B.
Vlerat \(\:\mu\:/\rho\:\) për ajrin dhe ujin u morën direkt nga baza e të dhënave referuese standarde NIST 12612. Kështu, Figura 1C tregon raportet e llogaritura të vëllimit të ajrit në shkumat hidrogel me vlera ekuivalente të HU midis -600 dhe -700 për mushkëritë e njeriut. Raporti teorikisht i llogaritur i vëllimit të ajrit është i qëndrueshëm brenda 60-70% në diapazonin e energjisë nga 1 × 10−3 në 2 × 101 MeV, duke treguar potencial të mirë për aplikimin e shkumës hidrogel në proceset e prodhimit në rrjedhën e poshtme.
Figura 1D tregon mostrën e përgatitur të shkumës hidrogel alginat. Të gjitha mostrat u prenë në kube me një gjatësi skaji prej 12.7 mm. Rezultatet treguan se u formua një shkumë hidrogel homogjene, tre-dimensionale e qëndrueshme. Pavarësisht nga raporti i vëllimit të ajrit, nuk u vunë re ndryshime të rëndësishme në pamjen e shkumave të hidrogelit. Natyra vetëqëndruese e shkumës së hidrogelit sugjeron që rrjeti i formuar brenda hidrogelit është mjaft i fortë për të mbështetur peshën e vetë shkumës. Përveç një sasie të vogël rrjedhjeje uji nga shkuma, shkuma tregoi gjithashtu stabilitet të përkohshëm për disa javë.
Duke matur masën dhe vëllimin e mostrës së shkumës, u llogarit dendësia e shkumës së hidrogelit të përgatitur \(\:\rho\:\), dhe rezultatet tregohen në Tabelën 4. Rezultatet tregojnë varësinë e \(\:\rho\:\) nga raporti vëllimor i ajrit. Kur përzihet mjaftueshëm ajër me 50 ml të mostrës, dendësia bëhet më e ulëta dhe është 0.482 g/cm3. Ndërsa sasia e ajrit të përzier zvogëlohet, dendësia rritet në 0.685 g/cm3. Vlera maksimale p midis grupeve 50 ml, 100 ml dhe 110 ml ishte 0.004 < 0.05, duke treguar rëndësinë statistikore të rezultateve.
Vlera teorike \(\:\rho\:\) llogaritet gjithashtu duke përdorur raportin e vëllimit të ajrit të kontrolluar. Rezultatet e matura tregojnë se \(\:\rho\:\) është 0.1 g/cm³ më e vogël se vlera teorike. Ky ndryshim mund të shpjegohet me stresin e brendshëm të gjeneruar në hidrogel gjatë procesit të xhelatinizimit, i cili shkakton ënjtje dhe kështu çon në një ulje të \(\:\rho\:\). Kjo u konfirmua më tej nga vëzhgimi i disa boshllëqeve brenda shkumës së hidrogelit në imazhet CT të paraqitura në Figurën 2 (A, B dhe C).
Imazhe mikroskopike optike të shkumave hidrogel me përmbajtje të ndryshme të vëllimit të ajrit (A) 50, (B) 100 dhe (C) 110. Numri i qelizave dhe shpërndarja e madhësisë së poreve në mostrat e shkumës hidrogel alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figura 3 (A, B, C) tregon imazhet e mikroskopit optik të mostrave të shkumës hidrogel me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit. Rezultatet demonstrojnë strukturën optike të shkumës hidrogel, duke treguar qartë imazhet e poreve me diametra të ndryshëm. Shpërndarja e numrit të poreve dhe diametrit u llogarit duke përdorur ImageJ. U morën gjashtë imazhe për secilën mostër, secila imazh kishte një madhësi prej 1125.27 μm × 843.96 μm, dhe sipërfaqja totale e analizuar për secilën mostër ishte 5.7 mm².
(A) Sjellja ndaj stresit dhe deformimit në formë kompresioni e shkumave të hidrogelit alginat me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit. (B) Përshtatja eksponenciale. (C) Kompresimi E0 i shkumave të hidrogelit me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit. (D) Stresi dhe deformimi maksimal i kompresionit të shkumave të hidrogelit alginat me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit.
Figura 3 (D, E, F) tregon se shpërndarja e madhësisë së poreve është relativisht uniforme, duke filluar nga dhjetëra mikrometra deri në rreth 500 mikrometra. Madhësia e poreve është në thelb uniforme dhe zvogëlohet pak me zvogëlimin e vëllimit të ajrit. Sipas të dhënave të testimit, madhësia mesatare e poreve të mostrës 50 ml është 192.16 μm, mediana është 184.51 μm dhe numri i poreve për njësi të sipërfaqes është 103; madhësia mesatare e poreve të mostrës 100 ml është 156.62 μm, mediana është 151.07 μm dhe numri i poreve për njësi të sipërfaqes është 109; vlerat përkatëse të mostrës 110 ml janë përkatësisht 163.07 μm, 150.29 μm dhe 115. Të dhënat tregojnë se poret më të mëdha kanë një ndikim më të madh në rezultatet statistikore të madhësisë mesatare të poreve, dhe madhësia mesatare e poreve mund të pasqyrojë më mirë trendin e ndryshimit të madhësisë së poreve. Ndërsa vëllimi i mostrës rritet nga 50 ml në 110 ml, rritet edhe numri i poreve. Duke kombinuar rezultatet statistikore të diametrit mesatar të poreve dhe numrit të poreve, mund të konkludohet se me rritjen e vëllimit, brenda mostrës formohen më shumë pore me madhësi më të vogël.
Të dhënat e testit mekanik janë paraqitur në Figurat 4A dhe 4D. Figura 4A tregon sjelljen stres-deformim në shtypje të shkumave të hidrogelit të përgatitura me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit. Rezultatet tregojnë se të gjitha mostrat kanë sjellje të ngjashme jolineare stres-deformim. Për secilën mostër, stresi rritet më shpejt me rritjen e deformimit. Një kurbë eksponenciale iu përshtat sjelljes stres-deformim në shtypje të shkumës së hidrogelit. Figura 4B tregon rezultatet pas aplikimit të funksionit eksponencial si një model përafrimi në shkumën e hidrogelit.
Për shkumat hidrogel me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit, u studiua edhe moduli i tyre i kompresimit (E0). Ngjashëm me analizën e hidrogeleve, moduli i kompresimit të Young-ut u hetua në rangun e 20% të tendosjes fillestare. Rezultatet e testeve të kompresimit tregohen në Figurën 4C. Rezultatet në Figurën 4C tregojnë se ndërsa raporti i vëllimit të ajrit zvogëlohet nga mostra 50 në mostrën 110, moduli i kompresimit të Young-ut E0 i shkumës hidrogel alginat rritet nga 10.86 kPa në 18 kPa.
Në mënyrë të ngjashme, u morën kurbat e plota stres-deformim të shkumave të hidrogelit, si dhe vlerat përfundimtare të stresit kompresiv dhe deformimit. Figura 4D tregon stresin dhe deformimin përfundimtar të kompresimit të shkumave të hidrogelit të alginatit. Çdo pikë e të dhënave është mesatarja e tre rezultateve të testimit. Rezultatet tregojnë se stresi përfundimtar i kompresimit rritet nga 9.84 kPa në 17.58 kPa me uljen e përmbajtjes së gazit. Deformimi përfundimtar mbetet i qëndrueshëm në rreth 38%.
Figura 2 (A, B dhe C) tregon imazhet CT të shkumave hidrogel me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit që korrespondojnë me mostrat 50, 100 dhe 110, përkatësisht. Imazhet tregojnë se shkuma e hidrogelit e formuar është pothuajse homogjene. Një numër i vogël boshllëqesh u vunë re në mostrat 100 dhe 110. Formimi i këtyre boshllëqeve mund të jetë për shkak të stresit të brendshëm të gjeneruar në hidrogel gjatë procesit të xhelatinizimit. Ne llogaritëm vlerat HU për 5 prerje tërthore të secilës mostër dhe i renditëm ato në Tabelën 5 së bashku me rezultatet përkatëse të llogaritjes teorike.
Tabela 5 tregon se mostrat me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit morën vlera të ndryshme HU. Vlera maksimale p midis grupeve 50 ml, 100 ml dhe 110 ml ishte 0.004 < 0.05, duke treguar rëndësinë statistikore të rezultateve. Midis tre mostrave të testuara, mostra me 50 ml përzierje kishte vetitë radiologjike më të afërta me ato të mushkërive të njeriut. Kolona e fundit e Tabelës 5 është rezultati i marrë nga llogaritja teorike bazuar në vlerën e matur të shkumës \(\:\rho\:\). Duke krahasuar të dhënat e matura me rezultatet teorike, mund të gjendet se vlerat HU të marra nga skanimi CT janë përgjithësisht afër rezultateve teorike, gjë që nga ana tjetër konfirmon rezultatet e llogaritjes së raportit të vëllimit të ajrit në Figurën 1C.
Objektivi kryesor i këtij studimi është të krijojë një material me veti mekanike dhe radiologjike të krahasueshme me ato të mushkërive të njeriut. Ky objektiv u arrit duke zhvilluar një material me bazë hidrogeli me veti mekanike dhe radiologjike të përshtatura ekuivalente me indet, të cilat janë sa më afër të jetë e mundur me ato të mushkërive të njeriut. Të udhëhequr nga llogaritjet teorike, shkume hidrogeli me raporte të ndryshme të vëllimit të ajrit u përgatitën duke përzier mekanikisht tretësirën e alginatit të natriumit, CaCO3, GDL dhe SLES 70. Analiza morfologjike tregoi se u formua një shkumë hidrogeli homogjene tre-dimensionale e qëndrueshme. Duke ndryshuar raportin e vëllimit të ajrit, dendësia dhe poroziteti i shkumës mund të ndryshohen sipas dëshirës. Me rritjen e përmbajtjes së vëllimit të ajrit, madhësia e poreve zvogëlohet pak dhe numri i poreve rritet. Testet e kompresimit u kryen për të analizuar vetitë mekanike të shkumeve hidrogel alginat. Rezultatet treguan se moduli i kompresimit (E0) i marrë nga testet e kompresimit është në rangun ideal për mushkëritë e njeriut. E0 rritet ndërsa raporti i vëllimit të ajrit zvogëlohet. Vlerat e vetive radiologjike (HU) të mostrave të përgatitura u morën bazuar në të dhënat CT të mostrave dhe u krahasuan me rezultatet e llogaritjeve teorike. Rezultatet ishin të favorshme. Vlera e matur është gjithashtu afër vlerës HU të mushkërive njerëzore. Rezultatet tregojnë se është e mundur të krijohen shkumë hidrogeli që imitojnë indet me një kombinim ideal të vetive mekanike dhe radiologjike që imitojnë vetitë e mushkërive njerëzore.
Pavarësisht rezultateve premtuese, metodat aktuale të fabrikimit duhet të përmirësohen për të kontrolluar më mirë raportin e vëllimit të ajrit dhe porozitetin, në mënyrë që të përputhen me parashikimet nga llogaritjet teorike dhe mushkëritë reale njerëzore, si në shkallë globale ashtu edhe në atë lokale. Studimi aktual është gjithashtu i kufizuar në testimin e mekanikës së kompresimit, gjë që kufizon aplikimin e mundshëm të fantazmës në fazën e kompresimit të ciklit të frymëmarrjes. Hulumtimet e ardhshme do të përfitonin nga hetimi i testimit në tërheqje, si dhe i stabilitetit të përgjithshëm mekanik të materialit, për të vlerësuar aplikimet e mundshme në kushte ngarkese dinamike. Pavarësisht këtyre kufizimeve, studimi shënon përpjekjen e parë të suksesshme për të kombinuar vetitë radiologjike dhe mekanike në një material të vetëm që imiton mushkëritë e njeriut.
Setet e të dhënave të gjeneruara dhe/ose të analizuara gjatë studimit aktual janë të disponueshme nga autori përkatës me kërkesë të arsyeshme. Si eksperimentet ashtu edhe setet e të dhënave janë të riprodhueshme.
Song, G., et al. Nanoteknologji të reja dhe materiale të përparuara për radioterapinë e kancerit. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Raporti i Task Forcës AAPM 76a mbi Menaxhimin e Lëvizjes Respiratore në Onkologjinë Rrezatuese. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., dhe Brock, KK Modelimi i ndërfaqes dhe jolineariteteve materiale në mushkëritë e njeriut. Fizikë dhe Mjekësi dhe Biologji 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modeli i kancerit të mushkërive të ngjashëm me tumorin i gjeneruar nga bioprintimi 3D. 3. Bioteknologjia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelimi i deformimit të mushkërive: një metodë që kombinon teknikat e regjistrimit të imazhit të deformueshëm dhe vlerësimin hapësinor të modulit të Young-ut. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Ngurtësia e indeve të gjalla dhe implikimet e saj për inxhinierinë e indeve. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).