nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін браузердің соңғы нұсқасын пайдалануды (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіруді) ұсынамыз. Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін бұл сайтта стильдер немесе JavaScript болмайды.
Ағзалар мен тіндердің қозғалысы сәулелік терапия кезінде рентген сәулелерінің орналасуында қателіктерге әкелуі мүмкін. Сондықтан, сәулелік терапияны оңтайландыру үшін органдардың қозғалысын имитациялау үшін тінге эквивалентті механикалық және радиологиялық қасиеттері бар материалдар қажет. Дегенмен, мұндай материалдарды әзірлеу қиындық тудыруда. Альгинат гидрогельдерінің жасушадан тыс матрицаға ұқсас қасиеттері бар, бұл оларды тінге эквивалентті материалдар ретінде перспективалы етеді. Бұл зерттеуде қажетті механикалық және радиологиялық қасиеттері бар альгинат гидрогель көбіктері in situ Ca2+ бөлінуі арқылы синтезделді. Анықталған механикалық және радиологиялық қасиеттері бар гидрогель көбіктерін алу үшін ауаның көлемге қатынасы мұқият бақыланды. Материалдардың макро- және микроморфологиясы сипатталды, сондай-ақ сығылған кездегі гидрогель көбіктерінің мінез-құлқы зерттелді. Радиологиялық қасиеттер теориялық тұрғыдан бағаланды және компьютерлік томографияны қолдану арқылы эксперименталды түрде расталды. Бұл зерттеу сәулелік терапия кезінде сәулелік дозаны оңтайландыру және сапаны бақылау үшін пайдаланылуы мүмкін тінге эквивалентті материалдардың болашақ дамуына жарық түсіреді.
Радиациялық терапия қатерлі ісік ауруын емдеудің кең таралған әдісі болып табылады1. Ағзалар мен тіндердің қозғалысы көбінесе сәулелік терапия кезінде рентген сәулелерінің орналасуындағы қателіктерге әкеледі2, бұл ісіктің жеткіліксіз емделуіне және айналасындағы сау жасушалардың қажетсіз сәулеленуге шамадан тыс ұшырауына әкелуі мүмкін. Ағзалар мен тіндердің қозғалысын болжау қабілеті ісіктің локализациясындағы қателіктерді азайту үшін өте маңызды. Бұл зерттеу өкпеге бағытталған, себебі олар пациенттер сәулелік терапия кезінде тыныс алғанда айтарлықтай деформациялар мен қозғалыстарға ұшырайды. Адам өкпесінің қозғалысын модельдеу үшін әртүрлі ақырлы элементтер модельдері әзірленіп, қолданылды3,4,5. Дегенмен, адам мүшелері мен тіндері күрделі геометрияға ие және пациентке өте тәуелді. Сондықтан, тінге эквивалентті қасиеттері бар материалдар теориялық модельдерді тексеру, медициналық емдеуді жақсартуға ықпал ету және медициналық білім беру мақсаттары үшін физикалық модельдерді әзірлеу үшін өте пайдалы.
Күрделі сыртқы және ішкі құрылымдық геометрияларға қол жеткізу үшін жұмсақ тіндерді имитациялайтын материалдарды әзірлеу көпшіліктің назарын аударды, себебі олардың механикалық сәйкессіздіктері мақсатты қолданбаларда сәтсіздіктерге әкелуі мүмкін6,7. Өкпе тінінің күрделі биомеханикасын модельдеу, ол өте жұмсақтықты, серпімділікті және құрылымдық кеуектілікті біріктіреді, адам өкпесін дәл қайталайтын модельдерді әзірлеуде айтарлықтай қиындық тудырады. Механикалық және радиологиялық қасиеттерді біріктіру және сәйкестендіру терапиялық араласуларда өкпе модельдерінің тиімді жұмыс істеуі үшін өте маңызды. Қосымша өндіріс пациентке тән модельдерді әзірлеуде тиімді екені дәлелденді, бұл күрделі дизайндардың жылдам прототипін жасауға мүмкіндік береді. Шин және т.б. 8 3D басып шығарылған тыныс алу жолдары бар қайталанатын, деформацияланатын өкпе моделін жасады. Хаселар және т.б. 9 сәулелік терапия үшін кескін сапасын бағалау және позицияны тексеру әдістері үшін нақты пациенттерге өте ұқсас фантом жасады. Хонг және т.б.10 сандық бағалаудың дәлдігін бағалау үшін әртүрлі өкпе зақымдануларының КТ қарқындылығын қайталау үшін 3D басып шығару және силикон құю технологиясын қолдана отырып, кеуде қуысының компьютерлік томография моделін жасады. Дегенмен, бұл прототиптер көбінесе тиімді қасиеттері өкпе тінінің қасиеттерінен өте өзгеше материалдардан жасалады11.
Қазіргі уақытта өкпе фантомдарының көпшілігі силиконнан немесе полиуретанды көбіктен жасалған, олар нақты өкпе паренхимасының механикалық және радиологиялық қасиеттеріне сәйкес келмейді.12,13 Альгинат гидрогельдері биоүйлесімді және реттелетін механикалық қасиеттеріне байланысты тін инженериясында кеңінен қолданылады.14 Дегенмен, өкпе тінінің серпімділігі мен толтыру құрылымын дәл имитациялайтын өкпе фантомы үшін қажетті ультра жұмсақ, көбік тәрізді консистенцияны қайта жасау эксперименттік қиындық болып қала береді.
Бұл зерттеуде өкпе тінінің біртекті серпімді материал екендігі болжанған. Адам өкпе тінінің тығыздығы (\(\:\rho\:\)) 1,06 г/см3, ал үрленген өкпенің тығыздығы 0,26 г/см315 деп хабарланған. Өкпе тінінің Янг модулі (MY) мәндерінің кең диапазоны әртүрлі эксперименттік әдістерді қолдану арқылы алынған. Лай-Фук және т.б. 16 біркелкі үрленген адам өкпесінің YM-ін 0,42–6,72 кПа деп өлшеді. Госс және т.б. 17 магнитті-резонанстық эластографияны қолданып, YM 2,17 кПа екенін хабарлады. Лю және т.б. 18 тікелей өлшенген YM 0,03–57,2 кПа екенін хабарлады. Илегбуси және т.б. 19 таңдалған пациенттерден алынған 4D КТ деректеріне негізделген YM-ді 0,1–2,7 кПа деп бағалады.
Өкпенің радиологиялық қасиеттері үшін өкпе тінінің рентген сәулелерімен өзара әрекеттесуін сипаттау үшін бірнеше параметрлер қолданылады, соның ішінде элементтік құрамы, электрон тығыздығы (\(\:{\rho\:}_{e}\)), тиімді атомдық саны (\(\:{Z}_{eff}\)), орташа қоздыру энергиясы (\(\:I\)), массаның әлсіреу коэффициенті (\(\:\mu\:/\rho\:\)) және тікелей \(\:\mu\:/\rho\:\)-мен байланысты Хаунсфилд бірлігі (HU).
Электрон тығыздығы \(\:{\rho\:}_{e}\) көлем бірлігіне шаққандағы электрондар саны ретінде анықталады және келесідей есептеледі:
мұндағы \(\:\rho\:\) - материалдың г/см3 тығыздығы, \(\:{N}_{A}\) - Авогадро тұрақтысы, \(\:{w}_{i}\) - массалық үлес, \(\:{Z}_{i}\) - атомдық сан, ал \(\:{A}_{i}\) - i-ші элементтің атомдық салмағы.
Атомдық сан материал ішіндегі радиациялық өзара әрекеттесудің сипатымен тікелей байланысты. Бірнеше элементтен тұратын қосылыстар мен қоспалар үшін (мысалы, маталар) тиімді атомдық санды есептеу керек. Формуланы Мерти және т.б. ұсынған. 20:
Орташа қоздыру энергиясы \(\:I\) нысана материалының енетін бөлшектердің кинетикалық энергиясын қаншалықты оңай сіңіретінін сипаттайды. Ол тек нысана материалының қасиеттерін сипаттайды және бөлшектердің қасиеттерімен ешқандай байланысы жоқ. \(\:I\) Брэггтің аддитивтілік ережесін қолдану арқылы есептелуі мүмкін:
Массалық әлсіреу коэффициенті \(\:\mu\:/\rho\:\) нысана материалындағы фотондардың енуін және энергия бөлінуін сипаттайды. Оны келесі формула бойынша есептеуге болады:
Мұндағы \(\:x\) - материалдың қалыңдығы, \(\:{I}_{0}\) - түсетін жарықтың қарқындылығы, ал \(\:I\) - материалға енгеннен кейінгі фотон қарқындылығы. \(\:\mu\:/\rho\:\) деректерін NIST 12621 стандарттарының анықтамалық дерекқорынан тікелей алуға болады. Қоспалар мен қосылыстар үшін \(\:\mu\:/\rho\:\) мәндерін аддитивтілік ережесін пайдаланып келесідей алуға болады:
HU – компьютерлік томография (КТ) деректерін түсіндірудегі радиотығыздықтың стандартталған өлшемсіз өлшем бірлігі, ол өлшенген әлсіреу коэффициентінен сызықтық түрде түрлендіріледі. Ол келесідей анықталады:
мұндағы \(\:{\mu\:}_{water}\) - судың әлсіреу коэффициенті, ал \(\:{\mu\:}_{air}\) - ауаның әлсіреу коэффициенті. Сондықтан, (6) формуладан судың HU мәні 0-ге, ал ауаның HU мәні -1000 екенін көреміз. Адам өкпесі үшін HU мәні -600-ден -700-ге дейін ауытқиды22.
Бірнеше тінге эквивалентті материалдар жасалды. Гриффит және т.б. 23 адам өкпесін қоса алғанда, әртүрлі адам мүшелерінің сызықтық әлсіреу коэффициенттерін модельдеу үшін кальций карбонатының (CaCO3) әртүрлі концентрациялары қосылған полиуретаннан (PU) жасалған адам денесінің тінге эквивалентті моделін жасады, және модель Гриффит деп аталды. Taylor24 Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы (LLNL) әзірлеген LLLL1 деп аталатын екінші өкпе тініне эквивалентті моделін ұсынды. Traub және т.б.25 өнімділікті күшейткіш ретінде 5,25% CaCO3 бар Foamex XRS-272 қолдана отырып, ALT2 деп аталатын жаңа өкпе тінінің алмастырғышын жасады. 1 және 2 кестелерде адам өкпесі (ICRU-44) және жоғарыда аталған тінге эквивалентті модельдер үшін \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) және масса әлсіреу коэффициенттерінің салыстыруы көрсетілген.
Қол жеткізілген тамаша радиологиялық қасиеттерге қарамастан, барлық дерлік фантом материалдары полистирол көбігінен жасалған, бұл дегеніміз, бұл материалдардың механикалық қасиеттері адам өкпесінің қасиеттеріне жақындай алмайды. Полиуретан көбігінің Янг модулі (YM) шамамен 500 кПа құрайды, бұл қалыпты адам өкпесімен (шамамен 5-10 кПа) салыстырғанда идеалдан алыс. Сондықтан, нақты адам өкпесінің механикалық және радиологиялық сипаттамаларына сәйкес келетін жаңа материалды әзірлеу қажет.
Гидрогельдер тін инженериясында кеңінен қолданылады. Оның құрылымы мен қасиеттері жасушадан тыс матрицаға (ЭКМ) ұқсас және оңай реттеледі. Бұл зерттеуде көбіктерді дайындауға арналған биоматериал ретінде таза натрий альгинаты таңдалды. Альгинат гидрогельдері биоүйлесімді және реттелетін механикалық қасиеттеріне байланысты тін инженериясында кеңінен қолданылады. Натрий альгинатының (C6H7NaO6)n элементтік құрамы және Ca2+ болуы оның радиологиялық қасиеттерін қажетінше реттеуге мүмкіндік береді. Реттелетін механикалық және радиологиялық қасиеттердің бұл үйлесімі альгинат гидрогельдерін біздің зерттеуіміз үшін өте қолайлы етеді. Әрине, альгинат гидрогельдерінің де шектеулері бар, әсіресе тыныс алу циклдерін модельдеу кезінде ұзақ мерзімді тұрақтылық тұрғысынан. Сондықтан, бұл шектеулерді шешу үшін болашақ зерттеулерде одан әрі жетілдірулер қажет және күтілуде.
Бұл жұмыста біз адамның өкпе тініне ұқсас басқарылатын rho мәндері, серпімділігі және радиологиялық қасиеттері бар альгинат гидрогель көбікті материалын әзірледік. Бұл зерттеу реттелетін серпімді және радиологиялық қасиеттері бар тін тәрізді фантомдарды жасаудың жалпы шешімін ұсынады. Материалдың қасиеттерін кез келген адам тіндері мен мүшелеріне оңай бейімдеуге болады.
Гидрогель көбігінің мақсатты ауаның көлемге қатынасы адам өкпесінің HU диапазонына (-600-ден -700-ге дейін) негізделіп есептелді. Көбіктің ауа мен синтетикалық альгинат гидрогельінің қарапайым қоспасы екені болжанды. Жеке элементтерді қосудың қарапайым ережесін қолдана отырып, ауаның көлемдік үлесін және синтезделген альгинат гидрогельінің көлемдік қатынасын есептеуге болады.
Альгинат гидрогель көбіктері натрий альгинатын (бөлшек № W201502), CaCO3 (бөлшек № 795445, MW: 100.09) және GDL (бөлшек № G4750, MW: 178.14) пайдаланып дайындалды. Renowned Trading LLC компаниясынан 70% натрий лаурил эфир сульфаты (SLES 70) сатып алынды. Көбікті дайындау процесінде деиондалған су қолданылды. Натрий альгинаты бөлме температурасында деиондалған суда біртекті сары мөлдір ерітінді алынғанша үздіксіз араластыра отырып (600 айн/мин) ерітілді. CaCO3 GDL-мен бірге гельдеу процесін бастау үшін Ca2+ көзі ретінде пайдаланылды. SLES 70 гидрогельдің ішінде кеуекті құрылым қалыптастыру үшін беттік белсенді зат ретінде пайдаланылды. Альгинат концентрациясы 5%, ал Ca2+:-COOH молярлық қатынасы 0,18 деңгейінде сақталды. Көбікті дайындау кезінде бейтарап рН деңгейін сақтау үшін CaCO3:GDL молярлық қатынасы 0,5 деңгейінде сақталды. Бұл мән 26,2% құрайды. Барлық үлгілерге SLES 70 көлемі бойынша қосылды. Ерітінді мен ауаның араластыру қатынасын бақылау үшін қақпағы бар стакан пайдаланылды. Стаканның жалпы көлемі 140 мл болды. Теориялық есептеу нәтижелеріне сүйене отырып, қоспаның әртүрлі көлемдері (50 мл, 100 мл, 110 мл) стаканға ауамен араластыру үшін қосылды. Қоспаның 50 мл бар үлгі жеткілікті ауамен араластыруға арналған, ал басқа екі үлгідегі ауа көлемінің қатынасы бақыланды. Алдымен SLES 70 альгинат ерітіндісіне қосылып, электрлік араластырғышпен толығымен араласқанша араластырылды. Содан кейін қоспаға CaCO3 суспензиясы қосылып, қоспа толығымен араласқанша, түсі ақ түске өзгергенше үздіксіз араластырылды. Соңында, гельденуді бастау үшін қоспаға GDL ерітіндісі қосылды және бүкіл процесс бойы механикалық араластыру сақталды. 50 мл қоспасы бар үлгі үшін қоспаның көлемі өзгерген кезде механикалық араластыру тоқтатылды. 100 мл және 110 мл қоспасы бар үлгілер үшін қоспа стаканға толған кезде механикалық араластыру тоқтатылды. Біз сондай-ақ көлемі 50 мл мен 100 мл аралығындағы гидрогель көбіктерін дайындауға тырыстық. Дегенмен, көбіктің құрылымдық тұрақсыздығы байқалды, себебі ол толық ауа араластыру күйі мен ауа көлемін бақылау күйі арасында ауытқып, көлемді бақылаудың сәйкессіздігіне әкелді. Бұл тұрақсыздық есептеулерге белгісіздік әкелді, сондықтан бұл көлем диапазоны осы зерттеуге енгізілмеді.
Гидрогель көбігінің тығыздығы гидрогель көбік үлгісінің массасын (м) және көлемін (В) өлшеу арқылы есептеледі.
Гидрогель көбіктерінің оптикалық микроскопиялық суреттері Zeiss Axio Observer A1 камерасын пайдаланып алынды. Алынған суреттерге сүйене отырып, белгілі бір аумақтағы үлгідегі кеуектердің саны мен өлшемінің таралуын есептеу үшін ImageJ бағдарламалық жасақтамасы пайдаланылды. Кеуек пішіні дөңгелек деп есептеледі.
Альгинат гидрогель көбіктерінің механикалық қасиеттерін зерттеу үшін TESTRESOURCES 100 сериялы машинаны пайдаланып бір осьті қысу сынақтары жүргізілді. Үлгілер тікбұрышты блоктарға кесілді және кернеулер мен деформацияларды есептеу үшін блок өлшемдері өлшенді. Айқас жылдамдық 10 мм/мин деп белгіленді. Әр үлгі үшін үш үлгі сыналды және нәтижелерден орташа және стандартты ауытқу есептелді. Бұл зерттеу альгинат гидрогель көбіктерінің қысу механикалық қасиеттеріне бағытталған, себебі өкпе тіндері тыныс алу циклінің белгілі бір кезеңінде қысу күштеріне ұшырайды. Әрине, созылу өте маңызды, әсіресе өкпе тінінің толық динамикалық мінез-құлқын көрсету үшін және бұл болашақ зерттеулерде зерттелетін болады.
Дайындалған гидрогель көбік үлгілері Siemens SOMATOM Drive қос арналы компьютерлік томография сканерінде сканерленді. Сканерлеу параметрлері келесідей орнатылды: 40 мАс, 120 кВп және 1 мм кесінді қалыңдығы. Алынған DICOM файлдары әрбір үлгінің 5 көлденең қимасының HU мәндерін талдау үшін MicroDicom DICOM Viewer бағдарламалық жасақтамасын пайдаланып талданды. КТ арқылы алынған HU мәндері үлгілердің тығыздық деректеріне негізделген теориялық есептеулермен салыстырылды.
Бұл зерттеудің мақсаты - жұмсақ материалдарды жасау арқылы жеке мүше модельдері мен жасанды биологиялық тіндерді жасауда төңкеріс жасау. Адам өкпесінің жұмыс механикасына сәйкес келетін механикалық және радиологиялық қасиеттері бар материалдарды әзірлеу медициналық дайындықты жақсарту, хирургиялық жоспарлау және сәулелік терапияны жоспарлау сияқты мақсатты қолданбалар үшін маңызды. 1А-суретте біз адам өкпесінің модельдерін жасау үшін қолданылатын жұмсақ материалдардың механикалық және радиологиялық қасиеттері арасындағы сәйкессіздікті сызып көрсеттік. Бүгінгі күнге дейін қажетті радиологиялық қасиеттерді көрсететін материалдар жасалды, бірақ олардың механикалық қасиеттері қажетті талаптарға сай келмейді. Полиуретанды көбік пен резеңке деформацияланатын адам өкпесінің модельдерін жасау үшін ең кең таралған материалдар болып табылады. Полиуретанды көбіктің механикалық қасиеттері (Юнг модулі, YM) әдетте қалыпты адам өкпе тініне қарағанда 10-нан 100 есеге дейін жоғары. Қажетті механикалық және радиологиялық қасиеттерді көрсететін материалдар әлі белгісіз.
(A) Әртүрлі жұмсақ материалдардың қасиеттерінің схемалық көрінісі және тығыздық, Янг модулі және радиологиялық қасиеттері бойынша адам өкпесімен салыстыру (HU). (B) Концентрациясы 5% және Ca2+:-COOH молярлық қатынасы 0,18 болатын альгинат гидрогельінің рентгендік дифракциялық көрінісі. (C) Гидрогель көбіктеріндегі ауа көлемінің қатынастарының диапазоны. (D) Әртүрлі ауа көлемінің қатынастары бар альгинат гидрогель көбіктерінің схемалық көрінісі.
Концентрациясы 5% және Ca2+:-COOH молярлық қатынасы 0,18 альгинат гидрогельдерінің элементтік құрамы есептелді, нәтижелері 3-кестеде көрсетілген. Алдыңғы (5) формуладағы қосу ережесіне сәйкес, альгинат гидрогельінің массалық әлсіреу коэффициенті 1B суретте көрсетілгендей алынды.
Ауа мен судың \(\:\mu\:/\rho\:\) мәндері NIST 12612 стандарттарының анықтамалық дерекқорынан тікелей алынды. Осылайша, 1C суретте адам өкпесі үшін -600 және -700 аралығындағы HU эквивалентті мәндері бар гидрогель көбіктерідегі есептелген ауа көлемінің қатынасы көрсетілген. Теориялық тұрғыдан есептелген ауа көлемінің қатынасы 1 × 10−3-тен 2 × 101 МэВ-қа дейінгі энергия диапазонында 60-70% аралығында тұрақты, бұл гидрогель көбігін өндірістің кейінгі процестерінде қолданудың жақсы әлеуетін көрсетеді.
1D суретте дайындалған альгинат гидрогель көбік үлгісі көрсетілген. Барлық үлгілер жиегінің ұзындығы 12,7 мм болатын текшелерге кесілді. Нәтижелер біртекті, үш өлшемді тұрақты гидрогель көбігінің пайда болғанын көрсетті. Ауа көлемінің қатынасына қарамастан, гидрогель көбіктерінің сыртқы түрі бойынша айтарлықтай айырмашылықтар байқалмады. Гидрогель көбігінің өзін-өзі қамтамасыз ету сипаты гидрогельдің ішінде пайда болған тордың көбіктің салмағын көтере алатындай берік екенін көрсетеді. Көбіктен аз мөлшерде су ағып кетуінен басқа, көбік бірнеше апта бойы өтпелі тұрақтылықты да көрсетті.
Көбік үлгісінің массасы мен көлемін өлшеу арқылы дайындалған гидрогель көбігінің тығыздығы есептелді, ал нәтижелері 4-кестеде көрсетілген. Нәтижелер ауаның көлемдік қатынасына тәуелділігін көрсетеді. 50 мл үлгімен жеткілікті ауа араласқанда, тығыздық ең төменгі деңгейге жетеді және 0,482 г/см3 құрайды. Аралас ауа мөлшері азайған сайын тығыздық 0,685 г/см3 дейін артады. 50 мл, 100 мл және 110 мл топтар арасындағы максималды p мәні 0,004 < 0,05 болды, бұл нәтижелердің статистикалық маңыздылығын көрсетеді.
Теориялық \(\:\rho\:\) мәні бақыланатын ауа көлемінің қатынасын пайдаланып есептеледі. Өлшенген нәтижелер \(\:\rho\:\) теориялық мәннен 0,1 г/см³ аз екенін көрсетеді. Бұл айырмашылықты гельдеу процесі кезінде гидрогельде пайда болатын ішкі кернеумен түсіндіруге болады, бұл ісінуді тудырады және осылайша \(\:\rho\:\) төмендеуіне әкеледі. Бұл 2-суретте (A, B және C) көрсетілген КТ суреттерінде гидрогель көбігінің ішіндегі кейбір саңылауларды бақылау арқылы одан әрі расталды.
Ауа көлемі әртүрлі гидрогель көбіктерінің оптикалық микроскопиялық суреттері (A) 50, (B) 100 және (C) 110. Альгинат гидрогель көбік үлгілеріндегі жасушалар саны және кеуек өлшемдерінің таралуы (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3-суретте (A, B, C) әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар гидрогель көбік үлгілерінің оптикалық микроскоптық суреттері көрсетілген. Нәтижелер гидрогель көбігінің оптикалық құрылымын көрсетеді, әртүрлі диаметрлі тесіктердің суреттерін анық көрсетеді. Кеуектер саны мен диаметрінің таралуы ImageJ көмегімен есептелді. Әр үлгі үшін алты сурет алынды, әр кескіннің өлшемі 1125,27 мкм × 843,96 мкм болды, ал әр үлгінің жалпы талданған ауданы 5,7 мм² болды.
(A) Әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар альгинат гидрогель көбіктерінің сығылу кернеу-деформациялану мінез-құлқы. (B) Экспоненциалды орнату. (C) Әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар гидрогель көбіктерінің сығылуы E0. (D) Әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар альгинат гидрогель көбіктерінің шекті сығылу кернеуі және деформациясы.
3-суретте (D, E, F) кеуек өлшемінің таралуы салыстырмалы түрде біркелкі, ондаған микрометрден шамамен 500 микрометрге дейін екені көрсетілген. Кеуек өлшемі негізінен біркелкі және ауа көлемі азайған сайын аздап азаяды. Сынақ деректеріне сәйкес, 50 ​​мл үлгінің орташа кеуек өлшемі 192,16 мкм, медиана 184,51 мкм, ал бірлік ауданға шаққандағы кеуек саны 103; 100 мл үлгінің орташа кеуек өлшемі 156,62 мкм, медиана 151,07 мкм, ал бірлік ауданға шаққандағы кеуек саны 109; 110 мл үлгінің сәйкес мәндері сәйкесінше 163,07 мкм, 150,29 мкм және 115 құрайды. Деректер үлкен тесіктердің орташа тесік өлшемінің статистикалық нәтижелеріне көбірек әсер ететінін және орташа тесік өлшемі тесік өлшемінің өзгеру үрдісін жақсырақ көрсете алатынын көрсетеді. Үлгі көлемі 50 мл-ден 110 мл-ге дейін артқан сайын тесіктер саны да артады. Орташа тесік диаметрі мен тесік санының статистикалық нәтижелерін біріктіре отырып, көлемнің ұлғаюымен үлгі ішінде кішірек өлшемдегі көбірек тесіктер пайда болады деген қорытынды жасауға болады.
Механикалық сынақ деректері 4A және 4D суреттерінде көрсетілген. 4A суретте әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар дайындалған гидрогель көбіктерінің сығылу кернеу-деформация мінез-құлқы көрсетілген. Нәтижелер барлық үлгілердің ұқсас сызықтық емес кернеу-деформация мінез-құлқына ие екенін көрсетеді. Әрбір үлгі үшін кернеу деформацияның артуымен тезірек артады. Гидрогель көбігінің сығылу кернеу-деформация мінез-құлқына экспоненциалды қисық сәйкестендірілді. 4B суретте экспоненциалды функцияны гидрогель көбігіне жуықтау моделі ретінде қолданғаннан кейінгі нәтижелер көрсетілген.
Әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар гидрогель көбіктері үшін олардың сығылу модулі (E0) де зерттелді. Гидрогельдерді талдауға ұқсас, сығылу Янг модулі бастапқы деформацияның 20% диапазонында зерттелді. Сығымдау сынақтарының нәтижелері 4C суретте көрсетілген. 4C суреттегі нәтижелер ауа көлемінің қатынасы 50 үлгісінен 110 үлгісіне дейін төмендеген сайын, альгинат гидрогель көбігінің сығылу Янг E0 модулі 10,86 кПа-дан 18 кПа-ға дейін артатынын көрсетеді.
Сол сияқты, гидрогель көбіктерінің толық кернеу-деформация қисықтары, сондай-ақ сығымдау кернеуі мен деформация мәндері алынды. 4D суретте альгинат гидрогель көбіктерінің сығымдау кернеуі мен деформациясы көрсетілген. Әрбір деректер нүктесі үш сынақ нәтижесінің орташа мәні болып табылады. Нәтижелер газ мөлшерінің төмендеуімен сығымдау кернеуінің 9,84 кПа-дан 17,58 кПа-ға дейін артатынын көрсетеді. Шекті деформация шамамен 38% деңгейінде тұрақты болып қалады.
2-суретте (A, B және C) сәйкесінше 50, 100 және 110 үлгілеріне сәйкес келетін әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар гидрогель көбіктерінің КТ суреттері көрсетілген. Суреттерде түзілген гидрогель көбігінің біртекті екені көрсетілген. 100 және 110 үлгілерінде аздаған саңылаулар байқалды. Бұл саңылаулардың пайда болуы гельдеу процесі кезінде гидрогельде пайда болатын ішкі кернеуге байланысты болуы мүмкін. Біз әрбір үлгінің 5 көлденең қимасы үшін HU мәндерін есептеп, оларды тиісті теориялық есептеу нәтижелерімен бірге 5-кестеде тізімдедік.
5-кестеде ауа көлемінің қатынасы әртүрлі үлгілер әртүрлі HU мәндерін алғаны көрсетілген. 50 мл, 100 мл және 110 мл топтар арасындағы максималды p мәні 0,004 < 0,05 болды, бұл нәтижелердің статистикалық маңыздылығын көрсетеді. Сыналған үш үлгінің ішінде 50 мл қоспасы бар үлгі адам өкпесінің радиологиялық қасиеттеріне ең жақын болды. 5-кестенің соңғы бағанында өлшенген көбік мәніне негізделген теориялық есептеу арқылы алынған нәтиже көрсетілген. Өлшенген деректерді теориялық нәтижелермен салыстыра отырып, КТ сканерлеу арқылы алынған HU мәндері жалпы алғанда теориялық нәтижелерге жақын екенін анықтауға болады, бұл өз кезегінде 1C суреттегі ауа көлемінің қатынасын есептеу нәтижелерін растайды.
Бұл зерттеудің негізгі мақсаты - адам өкпесінің механикалық және радиологиялық қасиеттерімен салыстыруға болатын материал жасау. Бұл мақсатқа адам өкпесінің механикалық және радиологиялық қасиеттеріне мүмкіндігінше жақын, тіндерге баламалы механикалық және радиологиялық қасиеттері бар гидрогель негізіндегі материалды әзірлеу арқылы қол жеткізілді. Теориялық есептеулерді басшылыққа ала отырып, әртүрлі ауа көлемінің қатынасы бар гидрогель көбіктері натрий альгинаты ерітіндісін, CaCO3, GDL және SLES 70 механикалық түрде араластыру арқылы дайындалды. Морфологиялық талдау біртекті үш өлшемді тұрақты гидрогель көбігінің пайда болғанын көрсетті. Ауа көлемінің қатынасын өзгерту арқылы көбіктің тығыздығы мен кеуектілігін қалауыңыз бойынша өзгертуге болады. Ауа көлемінің мөлшерінің артуымен тесіктердің өлшемі аздап азаяды және тесіктер саны артады. Альгинат гидрогель көбіктерінің механикалық қасиеттерін талдау үшін сығымдау сынақтары жүргізілді. Нәтижелер сығымдау сынақтарынан алынған сығымдау модулі (E0) адам өкпесі үшін өте қолайлы диапазонда екенін көрсетті. Ауа көлемінің қатынасы төмендеген сайын E0 артады. Дайындалған үлгілердің радиологиялық қасиеттерінің (RQ) мәндері үлгілердің КТ деректері негізінде алынды және теориялық есептеулердің нәтижелерімен салыстырылды. Нәтижелер қолайлы болды. Өлшенген мән адам өкпесінің RQ мәніне де жақын. Нәтижелер адам өкпесінің қасиеттерін имитациялайтын механикалық және радиологиялық қасиеттердің тамаша үйлесімі бар тіндерді имитациялайтын гидрогель көбіктерін жасауға болатынын көрсетеді.
Үміткер нәтижелерге қарамастан, теориялық есептеулер мен нақты адам өкпесінің болжамдарына жаһандық және жергілікті масштабтарда сәйкес келу үшін ауа көлемінің қатынасы мен кеуектілігін жақсы бақылау үшін қазіргі өндіріс әдістерін жетілдіру қажет. Қазіргі зерттеу сонымен қатар фантомды тыныс алу циклінің сығымдау фазасымен шектейтін қысу механикасын сынаумен шектеледі. Болашақ зерттеулерге динамикалық жүктеме жағдайында ықтимал қолдануды бағалау үшін созылу сынағын, сондай-ақ материалдың жалпы механикалық тұрақтылығын зерттеу пайдалы болар еді. Осы шектеулерге қарамастан, зерттеу адам өкпесін имитациялайтын бір материалда радиологиялық және механикалық қасиеттерді біріктірудің алғашқы сәтті әрекеті болып табылады.
Ағымдағы зерттеу барысында жасалған және/немесе талданған деректер жиынтығы тиісті автордан ақылға қонымды сұраныс бойынша қолжетімді. Тәжірибелер де, деректер жиынтығы да қайталануы мүмкін.
Song, G. және т.б. Қатерлі ісік сәулелік терапиясына арналған жаңа нанотехнологиялар және озық материалдар. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ және т.б. Радиациялық онкологиядағы тыныс алу қозғалысын басқару бойынша AAPM 76a жұмыс тобының есебі. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Әл-Майя, А., Мозли, Дж. және Брок, К.К. Адам өкпесіндегі интерфейсті және материалдық сызықтық еместіктерді модельдеу. Физика және медицина және биология 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ван, Х. және т.б. 3D биобасып шығару арқылы жасалған ісік тәрізді өкпе рагы моделі. 3. Биотехнология. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М. және т.б. Өкпе деформациясын модельдеу: деформацияланатын кескінді тіркеу әдістерін және кеңістіктік өзгеретін Янг модулін бағалауды біріктіретін әдіс. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimaraes, CF және т.б. Тірі тіндердің қаттылығы және оның тін инженериясына әсері. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).